3.3Sistemas de radio de microondas con FM - Contacto: 55-52
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESC. SUP. DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LÓPEZ MATEOS “ Seminario de Titulación Procesamiento Digital de Señales ENLACE TERRESTRE VÍA MICROONDAS Que para obtener el titulo de: Ingeniero En Comunicaciones y Electrónica Por la Opción de Titulación Seminario de titulación Reg. Ayón Castro Armando Moreno Ajuech Alberto Asesor: Roberto Bibriesca Correa Enlace terrestre vía microondas 1 Objetivo: Proporcionar al estudiante las bases del estudio y aplicaciones del uso de las microondas como medio de trasmitir información. Enlace terrestre vía microondas 2 CONTENIDO Objetivo general …………………………………………………………………………………..1 INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………………….......2 CAPITULO 1 PANORAMA GENERAL DE LOS SISTEMAS DE MICROONDAS TERRESTRES Objetivo…………………………………………………………………………………………6 Introducción……………………………………………………………………………………7 1.1 Fundamentos de los Sistemas de Microondas Terrestres……………………….8 Introducción a los sistemas de microondas terrestres……………………………………..8 Inicios del uso de las microondas…………………………………………………………… 9 Sistemas de microondas terrestres y vía satélite…………………………………………..14 1.2 Modulaciones analógica y digital empleadas en los sistemas de microondas.17 Comparación de los sistemas de microondas analógicos y digitales…………………… 17 Técnicas de modulación digital……………………………………………………………….20 Categorías de modulación…………………………………………………………………….20 Características especiales de las microondas digitales……………………………………25 1.3 Funcionamiento de los Sistemas de Microondas Terrestres…………………….26 1.4 Ventajas y desventajas de los radio enlaces de microondas comparados con los sistemas de línea metálica………………………………………………………..28 1.5 Clasificación de las trayectorias de microondas………………………………….29 Clasificación de trayectoria basada en la topografía……………………………………….29 Clasificación de las trayectorias en base al carácter de la zona………………………….33 1.6 Confiabilidad de sistemas de radio transmisión por microondas………………33 Conclusiones CAPITULO 2 CONSIDERACIONES BÁSICAS DE ENLACES DE MICROONDAS. Objetivo…………………………………………………………………………………………39 Introducción……………………………………………………………………………………40 2.1 Sistemas con línea de vista…………………………………………………………….40 Sistemas con línea de vista…………………………………………………………………...40 Sistemas sobre el horizonte………………………………………………………………….. 2.2 Estructura de un sistema de microondas con línea de vista…………………….43 2.3 Frecuencias de Operación……………………………………………………………...44 Plan de frecuencias……………………………………………………………………………………..45 2.4 Atenuación en el espacio libre…………………………………………………………46 Absorción atmosférica…………………………………………………………………………47 Dispersión originada por lluvia y neblina…………………………………………………….47 2.5 Reflexión, refracción y difracción…………………………………………………….50 Reflexión………………………………………………………………………………..............51 Refracción……………………………………………………………………………...............52 Difracción………………………………………………………………………………………..53 2.6 Desvanecimiento…………………………………………………………………………54 Características del Desvanecimiento………………………………………………………...60 Propiedades estadísticas del desvanecimiento….………………………………………..60 Enlace terrestre vía microondas 3 Ley de distribución de desvanecimiento. ………………………………………………….62 Conclusiones…………………………………………………………………………………63 CAPITULO 3 SISTEMAS DE RADIO DE MICROONDAS CON FRECUENCIA MODULADA Objetivo………………………………………………………………………………………....64 Introducción…………………………………………………………………………………...65 3.1 Modulación de Frecuencia (FM) ............................................................................65 3.2 Modulación de frecuencia y de amplitud...……………………………………….….68 3.3Sistemas de radio de microondas con FM …………………………………………..69 3.4Transmisor y receptor de microondas de FM………………………………………..70 Radiotransmisor de microondas de FM...........................................................................70 Radioreceptoror de microondas de FM………………………………………………………71 Radiorepetidoras de microondas de FM……………………………………………………..71 3.5Diversidad de frecuencia, espacial, de polarización, híbrida y cuádruple……..77 Diversidad de frecuencia …………………………………………………………………….. 77 Diversidad espacial ……………………………………………………………………………78 Diversidad de polarización ……………………………………………………………………79 Diversidad híbrida………………………………………………………………………………81 Diversidad cuádruple…………………………………………………………………………..81 3.6Arreglos de conmutación de protección……………………………………………...82 Reserva continua……………………………………………………………………………….82 Diversidad……………………………………………………………………………………….85 Confiabilidad…………………………………………………………………………………….85 3.7 Estaciones de radio de microondas FM……………………………………………...86 Estación terminal ………………………………………………………………………………86 Enlace de entrada con línea de alambre (WLEL)…………………………………………..86 Sección de FI……………………………………………………………………………………87 Sección de RF…………………………………………………………………………………..88 Estación repetidora ……………………………………………………………………………92 Conclusiones…………………………………………………………………………………..99 CAPITULO 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE Objetivo……………………………………………………………………………………………100 Introducción………………………………………………………………………………….101 4.1Lineas de trasmisión……………………………………………………………………101 Método para determinar las pérdidas directo de mediciones experimentales…………102 Comparación analítica de líneas de transmisión ideales para ondas milimétricas……106 Tecnología de fabricación y estructura de líneas de transmisión para frecuencias milimétricas………………………………………………………………………………………..111 Software en el diseño de circuitos de microondas………………………………………..115 4.2 Estaciones terminales y repetidoras………………………………………………..117 Estaciones repetidoras de microondas. …………………………………………………119 Repetidor Heterodino………………………………………………………………………119 Enlace terrestre vía microondas 4 Repetidor por Detección…………………………………………………………………..127 Repetidor Directo…………………………………………………………………………..128 4.3 Antenas de microondas………………………………………………………………129 Fundamentos de las antenas de microondas…………………………………………….130 Antena Parabólica. ………………………………………………………………………….131 Antena exponencial (Trompeta o bocina)…………………………………………………135 Antena helicoidal……………………………………………………………………………..137 4.4 Diodos de microondas…………………………………………………………….….142 4.5Tubos de microondas………………………………………………………………….149 Conclusiones………………………………………………………………………………..157 CAPITULO 5 CÁLCULOS SOBRE EL DISEÑO DE UN ENLACE Objetivo Introducción………………………………………………………………………………….159 5.1 Perfil Topográfico………………………………………………………………………159 5.2 Efecto de la curvatura terrestre en los radio enlaces…………………………….161 5.3 Zona de Fresnel…………………………………………………………………………162 5.4 Ganancia del sistema………………………………………………………………….163 5.5 Perdidas en la trayectoria en espacio libre………………………………………..166 5.6 Margen de desvanecimiento………………………………………………………….167 5.7 Perdida de trayectoria por el espacio libre………………………………………...168 5.8 Umbral del receptor ……………………………………………………………………170 5.9 Relaciones de portadora a ruido y de señal a ruido ……………………………..170 5.10 Factor de ruido e índice de ruido ………………………………………………….171 5.11 Potencias……………………………………………………………………………….175 Potencia mínima de portadora……………………………………………………………… Potencia mínima en umbral del receptor…………………………………………………. Potencia isotrópica radiada efectiva (PIRE)………………………………………………. Potencia capturada…………………………………………………………………………… Resumen de formulas………..……………………………………………………………..178 Conclusiones…………………………………………………………………………………183 CONCLUSIONES GENERALES………………………………………………………………..185 ANEXOS Anexo 1 Cálculo de perfil topográfico……………………………………………………….186 Anexo 2 Recomendaciones generales……………………………………………………….191 Anexo 3 Formulario de asignación de frecuencias………………..………………………198 Fuentes de información………………………………………………………………………...202 Enlace terrestre vía microondas 5 INTRODUCCIÓN En los últimos años, las modernizaciones del sistema telefónico y las telecomunicaciones avanzan a pasos agigantados también gracias a la explotación tecnológica de las microondas y las fibras ópticas. Aunque las microondas se empezaron a utilizar desde la segunda guerra mundial, fue hasta hace dos décadas que inició su más cabal aprovechamiento. Los avances de la telecomunicación inalámbrica están asociados al descubrimiento y explotación de la radiación electromagnética, que es energía radial con forma de ondas invisibles que se propagan por el espacio y la materia. La radiación es óptimamente utilizada para transmisiones electrónicas (u otros usos), dentro del espectro radioeléctrico en diferentes longitudes e intensidad. Por ello, el espectro se ha dividido en nueve bandas y en diferentes longitudes e intensidad. Cada banda cubre una década de frecuencia, o sea el número de ondas radiadas que pasan por cierto punto en determinado tiempo (estos son los Hertz). La longitud de onda del espectro útil abarca de los tres mil metros a un milímetro en ruta descendente. Las microondas son ondas de radio generadas a frecuencias muy altas a través de un tubo oscilador llamado magnetrón. A diferencia de la longitud de 3,200 metros que alcanzan las ondas en la frecuencias bajas del espectro, las microondas obtienen longitudes que van de los 100 centímetros a un milímetro. Además de usarse en la radiodifusión, radiotelegrafía, Enlace terrestre vía microondas 6 televisión, satélites, tienen aplicaciones en intervenciones quirúrgicas, laboratorios de física, hornos de uso industrial y doméstico, combaten plagas, etcétera. La emisión de microondas para telecomunicaciones se realiza a través de torres transmisoras, instaladas en línea visual en puntos elevados a distancias entre 30 y 50 kilómetros; se enfocan en haces direccionales, pueden reflejarse en aviones, naves marítimas, patrullas de policía, carros de bomberos y otros objetos. Utilizan repetidoras para reforzar las señales periódicamente. Comúnmente se emplean dos y cuatro antenas en cada estación para recepción y retransmisión. Las microondas son el soporte de dos de las formas de transmisión de mayor éxito en la actualidad: las comunicaciones vía satélite y la radiotelefonía móvil celular, que a su vez han evolucionado hacia las redes de comunicación personales, cuya base técnica primordial es la no supeditación a redes de cable inmóviles. Los operadores tanto de redes fijas como móviles están utilizando las microondas para superar el cuello de botella de la última milla de otros medios de comunicación. Las microondas es un medio de transmisión que ya tiene muchas décadas de uso. En el pasado las compañías telefónicas se aprovechaban de alta capacidad para la transmisión de tráfico de voz. Gradualmente, los operadores reemplazaron el corazón de la red a fibra óptica, dejando como medio de respaldo la red de microondas. Lo mismo sucedió con el video, el cual fue sustituido por el satélite. Las microondas terrestres a pesar de todo sigue siendo un medio de comunicación muy efectivo para redes metropolitanas para interconectar bancos, mercados, tiendas departamentales y radio bases celulares. En épocas de guerra las microondas son cruciales por la alta capacidad transmisiva y por la ventaja de no tener que emplear cables conductores. En la primera guerra mundial se usó el radioteléfono trasatlántico para las comunicaciones con los barcos navieros y mercantes, después que los cables que unían a Alemania y Gran Bretaña fueron cortados al estallar el conflicto en 1914. Durante la segunda guerra mundial, la tecnología de microondas sirvió de base para el radar. Las primeras instalaciones del radar eran limitadas y poco confiables; conforme los militares exigieron mejor definición y certeza hacia el final de Enlace terrestre vía microondas 7 las hostilidades, los tecnológos fabricaron equipo que permitía blancos precisos, usando las partes más altas del espectro. Durante la guerra del Golfo Pérsico en 1991, el espectro radial sirvió de cauce para controlar, mediante computadoras enlazadas a satélites, poderosos artefactos de guerra como los misiles teledirigidos. Los aliados emplearon redes de satélites para vigilar las comunicaciones y movimientos de las fuerzas iraquíes, para localizar a los aviadores derribados en el desierto, así como para orientar a sus aviones, barcos y fuerzas de tierra. Los alcances de los satélites espías dejan pasmado a cualquier persona: se especula que el Big Bird del Pentágono estadounidense leía los titulares del diario ruso Pravda y los números de placas de los automóviles en la Plaza Roja, cuando esta era una fortaleza. Las microondas también son el medio para que a través de los satélites artificiales, y no precisamente en épocas de guerra, se tenga acceso a información sobre cuestiones como instalaciones y posesión de armamentos, espionaje, investigación de la tierra e interacción educativa a distancia. El uso de las microondas ha sido históricamente controvertido. No obstante que su localización en el espacio atmosférico impide su apropiación física, la sobreexplotación y saturación de las bandas de transmisión es un problema siempre presente. Para prever la explotación irracional del espectro y el uso indiscriminado de equipo, se han establecido normas técnicas internacionales para controlar el uso de frecuencias y artefactos por los particulares. Aunque estas reglas tienen como objetivo evitar el caos en el uso de las microondas, su violación es un problema latente, sobre todo por aquellas empresas o gobiernos que tienen capacidad tecnológica y poder suficiente para dominar en un momento determinado el espectro radioeléctrico, traspasando incluso las fronteras nacionales sin autorización de los gobiernos. Tal es el caso del equipo que emplea el proyecto T.V. Martí de Estados Unidos que envía desde 1990 sonido e imagen a la televisión cubana, aún cuando el gobierno de este país no admite dichas transmisiones. Enlace terrestre vía microondas 8 La irrefrenable explosión tecnológica para el aprovechamiento del espectro electromagnético ha alcanzado tal magnitud que vivimos diariamente en un mar lleno de energías anormales producidas por infinidad de aparatos electrónicos: relojes digitales, cables de alta tensión, televisores, teléfonos celulares, portones automáticos, hornos de microondas, cámaras de circuito cerrado. Las consecuencias de esto aún están por conocerse. Algunos experimentos han mostrado que pueden impactar negativamente en la salud pública. Ya se han detectado algunos casos de enfermedades provocadas por radiaciones tolerables. En España, se descubrió que los embriones de pollos durante la formación de su sistema nervioso y corazón no se desarrollaron completamente después de ser expuestos brevemente a un campo electromagnético muy similar al generado por terminales de video. Estos y otros fenómenos anormales detectados en relación directa con el uso de radiaciones de intensidad variable debieran ser ya motivo de serias investigaciones. En breve tendremos que solicitar que, así como se monitorea el aire de las grandes urbes para registrar los niveles de partículas contaminantes que flotan en el aire, también se monitoreen los niveles de radiación en zonas de alta densidad de transmisiones inalámbricas. Enlace terrestre vía microondas 9 Enlace terrestre vía microondas 10 Capitulo 1 PANORAMA GENERAL DE LOS SISTEMAS DE MICROONDAS CAPITULO 1 PANORAMA GENERAL DE LOS SISTEMAS DE MICROONDAS TERRESTRES. Objetivo: Comprender las bases de los enlaces vía microondas con la finalidad de reconocer sus ventajas y limitaciones para determinar en que casos su utilidad justifique su uso. Enlace terrestre vía microondas 11 Capitulo 1 PANORAMA GENERAL DE LOS SISTEMAS DE MICROONDAS Introducción El uso de la comunicación vía microondas es un recurso ampliamente utilizado quizás no tanto como otras nuevas tecnologías que se encuentran en auge pero aun así las características de los radio enlaces permiten la comunicación en algunas situaciones que aun no pueden resolverse con los modernos métodos de enlaces. Al iniciar el aprendizaje de cualquier tema es un buen inicio el conocer un poco de su historia para estar concientes de cual es la función para la que se creo y considerar las modificaciones que han sido posibles a lo largo de su aplicación ya sea para mejorar e incluso para descubrir nuevas formas de aprovechamiento. El funcionamiento del sistema de microondas se analiza en forma general explicando a bloques cada parte ya que en el capitulo 3 se entrara en detalles, Naturalmente el uso de las microondas tiene ventajas y desventajas, el análisis de estas nos permite el conocer realmente el alcance de su aplicación por ello se comenta los casos básicos que se presentan al establecer un enlace. Finalmente se detalla uno de los temas mas relevantes en cualquier sistema de comunicaciones; la disponibilidad real del enlace o sea la confianza que nos otorga el mismo para asegurar la comunicación bidireccional. Enlace terrestre vía microondas 12 Capitulo 1 PANORAMA GENERAL DE LOS SISTEMAS DE MICROONDAS 1.1 Fundamentos de los Sistemas de Microondas Terrestres Introducción a los sistemas de microondas terrestres Los sistemas analógicos de repetidores punto a punto se introdujeron a mediados de los 30’s extendiendo la tecnología de comunicaciones de alta frecuencia a la banda de muy alta frecuencia. El primer sistema comercial de este tipo uso una portadora modulada de amplitud, para transmitir hasta 12 canales de voz multiplexados en frecuencia (FDM). Las subsiguientes aplicaciones militares de los sistemas de relevadores radioeléctricos durante la Segunda Guerra Mundial, extendieron las bandas de frecuencias de operación hasta el intervalo de las ultra altas frecuencias y se introdujo la modulación en frecuencia y variantes de la modulación de pulsos. El objetivo común de estos métodos de modulación fue evitar la necesidad de amplificadores lineales de potencia en el transistor. El prerrequisito de compromiso de compromiso entre la ganancia del sistema y la eficiencia espectral, se utilizó en el desarrollo de sistemas de relevadores radioeléctricos analógicos de alta capacidad FDM-FM cuando se extendió la operación al intervalo de las microondas (Sistemas de Microondas Terrestres), usando parte de la tecnología desarrollada durante la Segunda Guerra Mundial para los radares. Así, la historia comienza en 1951 cuando entro en funcionamiento comercial el enlace Nueva York-San Francisco con unas cien estaciones repetidoras. Este enlace operó en la banda de los 4 GHz con un ancho de banda de 20 MHz ; la capacidad de transmisión inicial por canal de radiofrecuencia fue de 480 canales de voz. Las siguientes dos a tres décadas se caracterizaron por un crecimiento de los sistemas de microondas terrestres de mediana y alta capacidad. La mayoría de las aplicaciones fueron en las bandas de comunicación comprendidas entre 2 y 12 GHz. Este progreso se vio enriquecido con el reemplazamiento de los tubos electrónicos por dispositivos de estado sólido, los cuales hicieron posible mejoras operacionales y económicas. Enlace terrestre vía microondas 13 Capitulo 1 PANORAMA GENERAL DE LOS SISTEMAS DE MICROONDAS A principios de os 60’s se introdujeron comercialmente los sistemas de transmisión digital por cable, usando la técnica de modulación por codificación de pulsos (PCM) de señales de voz multiplexadas en el tiempo (TDM). Este rápido crecimiento y la introducción de los conmutadores, estimularon el desarrollo de los sistemas de microondas terrestres digitales, estimularon el desarrollo de los sistemas de microondas terrestres digitales. A finales de los 70’s entró en operación comercial una cantidad substancial de estos sistemas en varios países, usando alguno de los métodos de modulación más sencillos (4PSK, 8PSK, etc.) y operando en las bandas de frecuencias de 2 a 18 GHz; sin embargo, resultaban todavía ineficientes, así como su contraparte analógica, desde el punto de vista de utilización del espectro. Ya para mediados y finales de los 80’s se incrementó el número de estados en las técnicas de modulación, resultando en mejoras a la eficiencia espectral (16,24 y 256 QAM). Inicios del uso de las microondas A pesar de que el radar ayudó a los ingleses a ganar la Batalla de Inglaterra, desde el inicio sus inventores se dieron cuenta de que tenía serias desventajas, que se hicieron manifiestas durante las batallas de 1940. En primer lugar, por su tamaño, el radar no se podía llevar en avión; como se recordará, la antena necesitaba una longitud de 25 m aproximadamente. En segundo lugar, el haz de ondas electromagnéticas emitidas por las antenas tenía cierta anchura y lo único que se podía informar a los pilotos es que dentro de esa anchura se había detectado un enemigo. Sin embargo, esta anchura abarcaba una distancia de alrededor de 100 m, tanto hacia arriba como hacia abajo, a partir del centro. Durante el día no había problema, ya que una vez situado el avión en el centro de la pantalla del radar el aviador podía buscar visualmente dónde se encontraba el enemigo. Pero en la noche esto no funcionaba, la única forma de atacar un avión enemigo era tenerlo a una distancia muy pequeña y no a cien metros. Enlace terrestre vía microondas 14 Capitulo 1 PANORAMA GENERAL DE LOS SISTEMAS DE MICROONDAS Para vencer este obstáculo era necesario utilizar ondas electromagnéticas de longitudes de onda que no fueran de decenas de metros, sino de algunos metros, o todavía mejor, de centímetros, es decir, longitudes de onda extremadamente pequeñas, lo que significa ondas de muy altas frecuencias. Con estas longitudes de onda es posible detectar objetos muy cercanos. A estas ondas se le llama microondas. Había varias ventajas si se usaban longitudes de onda más pequeñas: una era que la anchura del haz disminuye con la longitud de onda y por tanto se podría detectar con más precisión al enemigo; otra, que la antena sería mucho más pequeña y que el radar podría llevarse en el avión. Por otro lado, con el equipo de que se disponía en esa época, a medida que se disminuía la longitud de onda, disminuía también la potencia de la onda emitida, lo cual era muy inconveniente. Trataron de resolver este problema de una forma completamente distinta. Después de sortear varios obstáculos políticos, se asignó el proyecto de investigación al profesor Mark Oliphant, del entonces recién creado Departamento de Física de la Universidad de Birmingham. Éste a su vez invitó al profesor John Randall y al estudiante Henry Boot. El grupo empezó a analizar el problema en el verano de 1939. Necesitaban inventar un dispositivo que pudiera generar ondas de muy altas frecuencias. Encontraron que en 1916 un estadounidense, Albert W. Hull, que había estudiado física y literatura griega en la Universidad de Yale, había inventado el magnetrón cuando trabajaba en el laboratorio de investigación de la General Electric. Se encontraba en ese proyecto porque como la compañía ATT había demandado judicialmente la patente del tubo al vacío que había presentado la General Electric, esta última quería encontrar alguna opción, en tanto se dirimía el problema legal. Enlace terrestre vía microondas 15 Capitulo 1 PANORAMA GENERAL DE LOS SISTEMAS DE MICROONDAS Como se recordará en un tríodo el flujo de electrones entre el cátodo (donde se generan los electrones) y el ánodo (que los recibe) se controla por medio de la carga eléctrica aplicada en la rejilla que se encuentra entre los elementos mencionados. Según el voltaje que se aplique a la rejilla, el flujo puede pasar, inhibirse o suspenderse completamente. Hull pensó en la posibilidad de controlar este flujo por medio de un campo magnético. Se le ocurrió un dispositivo con un cátodo formado por un cilindro metálico (Figura 1.1) en el centro, y el ánodo formado por otro cilindro hueco, también metálico, concéntrico con el anterior, entre los que se establece un voltaje por medio de una batería. . El campo magnético lo estableció paralelo al eje del conjunto. Así, un electrón que saliera del cátodo, en lugar de seguir una línea directa hacia el ánodo, como ocurre en el triodo, seguiría, debido al campo magnético, una trayectoria en espiral. Dependiendo de las características del campo, como su intensidad y la forma en que varíe con el tiempo, estas espirales pueden tomar muchas formas. Puede que algunas partan del cátodo pero no lleguen al ánodo, con lo que, en este caso, el flujo de electrones será suspendido. Vemos así que la corriente eléctrica entre los elementos puede ser controlada por el campo magnético, y por tanto, este dispositivo, al que se le llamó magnetrón, funciona como un triodo. Figura 1.1 En un magnetrón un campo magnético a lo largo del eje modifica la trayectoria de los electrones que se emiten del cátodo. Cuando el litigio entre las dos compañías estadounidenses se resolvió, la General Electric ya no tuvo interés en el magnetrón y por una década nadie le prestó atención, excepto Hull, quien continuó investigando sus propiedades físicas con todo detalle. Enlace terrestre vía microondas 16 Capitulo 1 PANORAMA GENERAL DE LOS SISTEMAS DE MICROONDAS En 1939 el grupo de Birmingham encontró un trabajo sobre el magnetrón. Se basaron en el principio de este dispositivo pero le añadieron otra idea ingeniosa fundamentada en el fenómeno de resonancia. Para entender lo que hicieron consideremos lo que ocurre cuando soplamos un silbato. Dentro del silbato hay un pequeño objeto duro que está suelto en la cavidad y al soplar se mueve de un lado a otro, choca con las paredes, y así genera ondas sonoras de muchas frecuencias. Sin embargo, debido a la resonancia, solamente aquellas ondas que tienen longitudes de onda comparables con las de la cavidad sobreviven, mientras que las otras se amortiguan. El resultado es que se oyen sonidos de ciertas frecuencias que quedan determinadas por las dimensiones de la cavidad. Así, un silbato con una cavidad grande emite ondas de longitud de onda grande, o sea de frecuencia pequeña, y oímos sonidos graves. Un silbato pequeño produce longitudes de onda pequeñas que corresponden a frecuencias grandes, así oímos un sonido agudo. Boot y Randall aplicaron esta idea. Para ello construyeron en un pequeño bloque de cobre un magnetrón, pero dentro del ánodo hicieron cavidades de dimensiones muy precisas (Figura 1.2). Al aplicar una corriente eléctrica entre el cátodo y el ánodo, y además un campo magnético a lo largo del eje del magnetrón, lograron que los electrones se movieran dentro del espacio de interacción. Estos electrones rebotan por el campo magnético y por tanto se aceleran. En consecuencia emiten ondas electromagnéticas de muchas frecuencias. Sin embargo, debido a que estas ondas entran en las cavidades, por resonancia solamente perduran las que tienen longitudes de onda comparables con las dimensiones de las cavidades, mientras que las otras desaparecen; todo esto ocurre en forma análoga al funcionamiento de un silbato. Construyeron las cavidades con dimensiones de centímetros, por lo que produjeron ondas centimétricas, o sea microondas, que corresponden a frecuencias muy altas. Al emitir radiación, los electrones pierden energía; la energía que tienen las microondas proviene de estos electrones, que a su vez la adquieren de la fuente externa que provee el voltaje entre el cátodo y el ánodo. Este voltaje puede ser continuo y el aparato produce una radiación que varía con el tiempo. Enlace terrestre vía microondas 17 Capitulo 1 PANORAMA GENERAL DE LOS SISTEMAS DE MICROONDAS Figura 1.2. Esquema de un aparato que produce microondas. En febrero de 1940 Boot y Randall probaron por primera vez su magnetrón modificado. Al hacer las mediciones necesarias encontraron que habían producido ondas con longitud de 9.8 cm (que corresponden a una frecuencia de 3 061 millones de Hz, o sea, 3 061 MHz) y una potencia de 400 watts, que es extraordinariamente grande. El magnetrón fue el dispositivo clave para desarrollar un sistema de radar que pudiera ser transportado en un avión. Sin embargo, la producción industrial de este aparato se realizó dos años más tarde. Con este nuevo radar desaparecieron las objeciones antes mencionadas. Los cazas ingleses pudieron enfrentar cada vez con más éxito los ataques nocturnos, hasta que llegó un momento en que las pérdidas alemanas fueron tan grandes que suspendieron los ataques a la isla. En 1940 Gran Bretaña y Estados Unidos habían convenido en intercambiar y participar de manera conjunta en el desarrollo de diferentes proyectos de carácter científico-industrialmilitar. Los ingleses propusieron que se desarrollaran en Estados Unidos diferentes tipos de radar, para lo cual se abrió el Radiation Laboratory en el Instituto Tecnológico de Massachusetts, en noviembre de 1940. De esta manera se pudo desarrollar y posteriormente construir un gran número de tipos de radar. Enlace terrestre vía microondas 18 Capitulo 1 PANORAMA GENERAL DE LOS SISTEMAS DE MICROONDAS La palabra radar es una sigla de la expresión en inglés: radio detection and ranging, que quiere decir detección de radio y alcance. Este nombre se lo pusieron los estadounidenses, pues originalmente los ingleses lo llamaron de otra forma. Después de la guerra se han utilizado las microondas en muchas aplicaciones, una de ellas muy conocida en la actualidad es la de los hornos. Su funcionamiento se basa en el hecho de que la radiación electromagnética de muy alta frecuencia tiene mucha energía, por lo que hay una transferencia de calor muy grande a los alimentos en poco tiempo. Sistemas de microondas terrestres y vía satélite. Los sistemas de comunicación vía satélite arrojan muchas ventajas sobre los demás sistemas de radiocomunicación. En comparación con los sistemas de microondas terrestres, las comunicaciones vía satélite se emplean para enlaces a distancias grandes y coberturas mayores. Tabla 1.1 Asignaciones en radiofrecuencia de microondas Enlace terrestre vía microondas 19 Capitulo 1 PANORAMA GENERAL DE LOS SISTEMAS DE MICROONDAS Ambos sistemas comparten las bandas C y Ku para transmitir información, por lo que siempre existirá la probabilidad de interferencia de los tipos cocanal y por canal adyacente, como se muestra en la figura 1.3. Satélite Señal deseada ----------------Señal interferente Sistema de microondas terrestres Estación terrena Figura 1.3 Representación de la interferencia entre sistemas de microondas terrestres y sistemas de comunicación vía satélite En la tabla 1.2 se listan las bandas de frecuencia en las cuales operan los Servicios Fijos de Satélite para Sistemas Comerciales de Comunicaciones. Las frecuencias de 4 y 6 GHz son compartidas con los sistemas de microondas terrestres, por lo tanto, ha sido necesario establecer normas que permitan coordinar el reuso de frecuencias en estas bandas, para asegurar una baja probabilidad de que los servicios se interfieran entre si. Las recomendaciones satelitales establecen que, antes que se implemente una estación terrena dada, el uso de la frecuencia propuesta para ésta, sea coordinada con las estaciones y sistemas terrestres. Enlace terrestre vía microondas 20 Capitulo 1 PANORAMA GENERAL DE LOS SISTEMAS DE MICROONDAS Banda de Frecuencia Enlace de Subida (GHz) (GHz) Enlace de (GHz) Ancho de Banda Típico Asignado a los enlaces Satelites (MHz) Bajada 6/4 (Banda C) 5.925-6.425 3.7-4.2 500 14/12 (banda 14.0-14.5 11.7-12.2 500 27.5-31.0 17.7-21.2 3500 Ku) 28/18 (Banda Ka) Tabla 1.2 Bandas de frecuencia en que operan los Servicios para Sistemas Comerciales de Comunicaciones. En el proceso de coordinación, tres fuentes potenciales de interferencia deben considerarse. Primera, cualquier estación terrena y estación terrestre dentro de 100 Km debe ser coordinada con detalle en forma equivalente a una coordinación de línea de vista para estaciones de microondas terrestres; segundo, el CCIR (ahora ITU-R) prescribe un método para calcular un contorno de coordinación para la estación terrena propuesta. La frecuencia propuesta debe también coordinarse con todas las estaciones terrestres que estén mas allá de los 100 Km pero dentro de dicho contorno. El terreno dentro de la trayectoria de interferencia determina si un estudio de la línea de vista o transhorizonte debe hacerse. El estudio debe incluir una investigación de la probabilidad de interferencia debida a la propagación por dispersión troposférica; tercero, las recomendaciones prescriben un método para calcular la interferencia potencial causada por la dispersión de la energía por la precipitación pluvial dentro de un volumen en el espacio común de los dos haces de las antenas. Las recomendaciones también establecen que las frecuencias propuestas en los sistemas terrestres, se coordinen con los demás usuarios (incluyendo los sistemas satelitales) en las bandas de frecuencia involucradas previos a las aplicaciones. Por otro lado, un sistema de comunicaciones vía satélites similar al de microondas terrestres en un conjunto de aspectos pero difiere en otros, fundamentalmente en los relativos al repetidor satelital. El equipo en el satélite puede considerarse simplemente como Enlace terrestre vía microondas 21 Capitulo 1 PANORAMA GENERAL DE LOS SISTEMAS DE MICROONDAS un repetidor de microondas. Sus funciones son dar la ganancia para compensar las pérdidas entre las antenas transmisora y receptora de la estació9n terrena y producir un corrimiento de frecuencia entre la banda de transmisión del enlace de subida y la banda del enlace de bajada. La longitud de los enlaces de subida y de bajada son típicamente mayores a los 36,000 Km. comparados con los 2 a 50 Km. para las trayectorias de radio de los sistemas de microondas terrestres. La atenuación es del orden de los 200 dB para el enlace de subida a 6 GHz y de 195 dB para el enlace de bajada a 4 GHz aproximadamente. Sin embargo, solamente pequeñas porciones de las trayectorias de los enlaces del satélite están en la atmósfera terrestre y, como resultado, los problemas debido a la atenuación atmosférica y a los desvanecimientos multitrayectoria son muchos menores que los que se presentan en los sistemas terrestres. En contraste con los sistemas satelitales de 6/4 GHz, los sistemas de la banda 14/12 GHz comparten menos sus frecuencias con los sistemas de microondas terrestres. Aunque las señales que operan en la banda de 14/12 GHz son bastante atenuadas por la lluvia, los efectos no son tan profundos como en los sistemas terrestres debido a que el haz del satélite atraviesa la atmósfera terrestre una porción relativamente pequeña de la trayectoria total. Modulaciones analógica y digital empleadas en los sistemas de microondas. Comparación de los sistemas de microondas analógicos y digitales. Basados en el tipo de esquema de modulación usado y la naturaleza de la fuente de información, los sistemas de radiocomunicación se pueden dividir en tres categorías. a) Sistemas analógicos de comunicación diseñados para transmitir información analógica usando métodos de modulación analógica. b) Sistemas digitales de comunicación diseñados para transmitir información digital usando métodos de modulación digital. Enlace terrestre vía microondas 22 Capitulo 1 PANORAMA GENERAL DE LOS SISTEMAS DE MICROONDAS c) Sistemas híbridos que usan esquemas de modulación digital para transmitir valores muestreados y cuantizados de una señal analógica. En los últimos años ha crecido el uso extendido y común de la modulación digital en los sistemas de radiocomunicaciones, lo cual es resultado de muchos factores: -La relativa simplicidad del diseño de los circuitos digitales y la facilidad con la cual pueden emplearse técnicas de circuitos integrados a los circuitos digitales. -Transmisión de información a cualquier distancia. -La ausencia de procesos de envejecimiento. -La facilidad de conmutación y sincronización en un mismo lugar. -El extendido uso de las computadoras en el manejo de toda clase de datos. -La habilidad de las señales digitales de ser codificadas para minimizar los efectos del ruido, de oscilaciones interferentes y de distorsiones lineales y no lineales. -Posibilidad de introducir técnicas de predicción y corrección de errores, asi como el enmascaramiento de la información para incrementar su privacidad. Como ejemplo representativo de la modulación analógica podemos mencionar a la frecuencia AM y por parte de la modulación digital a la modulación FSK. La modulación por amplitud es un caso de modulación donde tanto las señales de transmisión como las señales de datos son analógicas. Un modulador AM es un dispositivo con dos señales de entrada, una señal portadora de amplitud y frecuencia constante, y la señal de información o moduladora. El parámetro de la señal portadora que es modificado por la señal moduladora es la amplitud. Enlace terrestre vía microondas 23 Capitulo 1 PANORAMA GENERAL DE LOS SISTEMAS DE MICROONDAS La expresión corresponde a la señal modulada en amplitud (ecuación 1.1). v(t ) V p sen(2f p t ) m Vp 2 cos 2 ( f p f m )t m Vp 2 cos 2 ( f p f m )t (1.1) Donde Vp = valor pico de la señal portadora fp = frecuencia de la señal portadora Vm el valor pico de la señal moduladora y fm su frecuencia m = índice de modulación (1.2) La transmisión por desplazamiento de frecuencia (FSK), es una forma, en alguna medida simple, de modulación digital de bajo rendimiento. El FSK binario es una forma de modulación angular de amplitud constante, similar a la modulación en frecuencia convencional, excepto que la señal modulante es un flujo de pulsos binarios que varía, entre dos niveles de voltaje discreto, en lugar de una forma de onda analógica que cambia de manera continua. La expresión general para una señal FSK binaria es: w (t )w v(t ) Vc cos wc m t 2 (1.3) Vc = amplitud pico de la portadora no modulada wc = frecuencia de la portadora en radianes vm(t) = señal modulante digital binaria ∆w = cambio en frecuencia de salida en radianes Enlace terrestre vía microondas 24 Capitulo 1 PANORAMA GENERAL DE LOS SISTEMAS DE MICROONDAS Esquemas de modulación analógica. La amplitud constante de una señal modulada en frecuencia la hace menos susceptible a las no linealidades, así como a oscilaciones interferentes de carácter pulsante. Esta es la principal razón por la cual se utiliza FM en los sistemas de microondas terrestres analógicos (lo cual se analizara a detalle en el capitulo 3), en donde la operación no lineal de los amplificadores y otros dispositivos ha sido inevitable a los niveles de potencia que se requieren. Además, la amplitud constante de la FM le proporciona cierta inmunidad contra los desvanecimientos rápidos y mayor robustez contra ruido. El efecto de las variaciones en la amplitud causadas por los desvanecimientos rápidos se puede eliminar utilizando control automático de ganancia. A mediados de los 70’s se empezaron a desarrollar los sistemas de microondas de banda lateral única con piloto, justificando su uso con la ineficiencia de los sistemas de FM en cuanto al uso del espectro. En años recientes, se han venido diseñando amplificadores de potencia ultra-lineales, haciendo loa modulación en amplitud más práctica. Sin embargo, su alto costo ha limitado su aplicación en sistemas de distancias largas. Técnicas de modulación digital. En la figura 1.4 se muestran las formas de onda básicas de la portadora modulada usadas en los esquemas de transmisión de información digital binaria; estas formas de modulación corresponden al esquema de manipuleo de amplitud (Amplitude shift keying ASK), donde la amplitud de la portadora se “conmuta” entre dos valores (“encendido” y “apagado”). La forma de onda resultante contiene pulsos binarios representados por 1 (marca) y 0 (espacio). El método donde la frecuencia de la portadora se modifica se conoce como manipuleo de frecuencia (Frequency Shift Keying - FSK) y se genera por la conmutación de la frecuencia de la portadora entre los dos valores correspondientes a la información binaria transmitida. En el tercer método de modulación digital, la fase de la portadora se cambia entre los valores binarios, por lo que se llama manipuleo de fase (Phase Shift Keying- PSK). Categorías de modulación Enlace terrestre vía microondas 25 Capitulo 1 PANORAMA GENERAL DE LOS SISTEMAS DE MICROONDAS El ancho de banda requerido para transmitir una secuencia digital en banda base podría reducirse por medio de modulación multinivel, lo que en consecuencia requerirá un menor ancho de banda de transmisión. Específicamente, con la conformación ideal de Nyquist, pueden transmitirse 2 simbolos/s/Hz por canal de ancho de banda limitado a B hertz. Si se usa un conjunto de M=2n símbolos, donde n es el número de pulsos binarios sucesivos que se han combinado para formar el símbolo adecuado que se va a transmitir, pueden transmitirse usando la banda de Nyquist de 2n bits/Hz. Como ejemplo de sistemas multisimbolos se tienen los esquemas de modulación multifase, multiamplitud y multifrecuencia y combinación de ellas. Las señales multisimbolos se denominan frecuentemente M-arias. Los valores correspondientes al n-ésimo símbolo pueden representarse por el número complejo an+jbn. La modulación usada para un sistema en particular se clasifica de acuerdo a un alfabeto discreto (o constelación) de números complejos para los cuales los valores se toman. Enlace terrestre vía microondas 26 Capitulo 1 PANORAMA GENERAL DE LOS SISTEMAS DE MICROONDAS 1 0 1 1 0 ASK t FSK t PSK t Figura 1.4 Formas de onda de una portadora modulada con los esquemas digitales. Tanto para un sistemas M-PSK como para un M-QAM la velocidad de transmisión en bits/s, esta dada por Rb 1 Log 2 M T (1.4) Así, Rb crece linealmente con la velocidad de símbolo (1/T) medida en bauds) y logarítmicamente con M. La selección de un método de modulación depende de la aplicación especifica, la cual puede basarse en la inmunidad relativa al ruido y los deterioros del canal (tales como no linealidades, desvanecimientos, variaciones en la fase, ruido, etc.),la simplicidad del equipo y la compatibilidad con otros equipos alrededor del lugar donde se encuentre el sistema. En Enlace terrestre vía microondas 27 Capitulo 1 PANORAMA GENERAL DE LOS SISTEMAS DE MICROONDAS la tabla 1.2 se presenta una comparación de los sistemas que emplean las diversas técnicas de modulación digital binaria. Sistema Ancho de Banda ASK S/N (dB) a Complejidad del Equipo Pe=10` ≈2Rb 14.45 Moderado ≈2Rb 18.33 Menor >2Rb 10.60 Mayor >2Rb 15.33 Menor ≈2Rb 8.45 Mayor ≈2Rb 9.30 Moderado Coherente ASK no Coherente FSK Coherente FSK no Coherente PSK Coherente DPSK Tabla 1.2 Comparación de los sistemas ASK, FSK y PSK a) Requerimientos de ancho de banda El ancho de banda requerido por los esquemas ASK Y PSK son del orden de 2Rb, mientras que el ancho de banda de una señal FSK es un poco mayor que este valor. Así, si el ancho de banda es el punto de mayor importancia en el diseño de un sistema, el esquema FSK será el menos recomendable, y se incrementará el orden de los estados, tanto como sea posible, tomando en consideración otros factores, tales como la susceptibilidad al ruido, las distorsiones lineales y no lineales, la inmunidad a oscilaciones interferentes, complejidad, etc. b) Requerimientos de potencia Enlace terrestre vía microondas 28 Capitulo 1 PANORAMA GENERAL DE LOS SISTEMAS DE MICROONDAS El costo de los equipos tanto de transmisión como de recepción depende principalmente de los requerimientos de potencia pico y de linealidad, más que los requerimientos de potencia promedio, por lo que la comparación de hace desde este punto de vista. El esquema PSK requiere la menor cantidad de potencia, seguido por el FSK coherente, FSK no coherente y ASK no coherente. c) Inmunidad a Deterioros Introducidos por el Canal de Comunicaciones En la selección de un esquema de modulación, se debe considerar el comportamiento de determinado esquema de modulación ante los deterioros del canal, tales como las no linealidades y los desvanecimientos. En los esquemas FSK y PSK las señales son de amplitud constante y el umbral en el receptor no depende del nivel de la señal recibida. Los esquemas ASK son más sensibles a las variaciones del nivel de la señal recibida debido a los cambios de las características del canal antes mencionadas. Al pasar las portadoras con modulaciones PSK y FSK por un filtro pasa banda, se les introduce una modulación parásita de amplitud, por lo que, para incrementar la robustez contra degradaciones introducida por las no linealidades inherentes de todo equipo terminal, se emplean modulaciones con envolvente constante después de que las portadoras se hacen pasar por filtros pasa banda. Para la condición de canal con desvanecimientos, los esquemas no coherentes cobran importancia, por la casi imposibilidad de establecer una referencia coherente en el receptor bajo tales condiciones. Sin embargo, si el transmisor tiene serias limitaciones de potencia (como es el caso de la transmisión remota de datos de los vehículos espaciales con almacenamiento limitado de energía), entonces un esquema coherente puede tomarse en cuneta ya que usan menos potencia que los esquemas no coherentes para una velocidad de datos y probabilidad de error dadas. d) Complejidad del Equipo Hay muy poca diferencia en la complejidad del equipo de transmisión para las señales ASK, FSK y PSK. El receptor, la complejidad depende del método de demodulación usado ya sea éste coherente o no coherente. Las implementaciones del equipo de los esquemas de demodulación coherente son más complejos. Enlace terrestre vía microondas 29 Capitulo 1 PANORAMA GENERAL DE LOS SISTEMAS DE MICROONDAS Características especiales de las microondas digitales La aplicación de las técnicas de modulación digital en los sistemas de microondas por línea de vista, combinan tres características especiales: La primera es la necesidad de altas velocidades de transmisión. La velocidad de transmisión en sistemas de microondas digitales varía de 2 Mbps a 400 Mbps, con énfasis en velocidades entre 34 Mbps y 140 Mbps. La segunda característica es un énfasis en la eficiencia del ancho de banda (o el espectro), donde la eficiencia en potencia pasa a ser un factor secundario. Este énfasis se origina de la demanda de canales más amplios para el uso del espectro de radio limitado y de la necesidad de modulaciones de alto nivel que intercambie la eficiencia en potencia por la eficiencia espectral. Como resultado, los sistemas modernos de línea de vista tienen eficiencias espectrales mejores que 4 bits/seg/Hz. La tercera característica de los sistemas de microondas digitales es la susceptibilidad a los desvanecimientos selectivos, fenómeno causado por las multitrayectorias en los enlaces de línea de vista. Las consecuencias con más severas para modulaciones de mayor nivel (segunda característica) y más difícil a altas velocidades (primera característica). Por lo tanto. Las tres características anteriores en combinación, influencian en la selección de las técnicas de modulación en los sistemas de microondas digitales. Funcionamiento de los Sistemas de Microondas Terrestres Un diagrama generalizado de una Terminal de microondas se ilustra en la figura 1.5 mostrado (a) el transmisor y (b) el receptor. La señal de entrada del transmisor se modula a una frecuencia intermedia (F1) de 70 MHz normalmente. La F1 se sube a una frecuencia portadora de microondas y, después de llevarla al amplificador de potencia del transmisor, Enlace terrestre vía microondas 30 Capitulo 1 PANORAMA GENERAL DE LOS SISTEMAS DE MICROONDAS se transmite a través de la antena. La señal captada por la antena receptora, se mezcla con una oscilación generada por el oscilador local de RF para producir la señal de F1. Después del filtraje y la amplificación, la señal de F1 entra al demodulador, el cual recupera la señal en banda base. Con excepción de las respuestas de los filtros y los niveles de salida, las terminales de microondas analógicas y digitales son muy similares. La principal diferencia entre los sistemas de microondas analógicos y digitales ocurre en los moduladores y en los demoduladores. Los sistemas analógicos generalmente usan las técnicas convencionales de FM para modular y remodular una señal de F1 con una señal de banda base analógica. Los sistemas de microondas digitales, por su lado, generalmente usan técnicas tales como QPSK o QAM para modular la F1 con una señal digital en banda base. Señal de banda base RF F1 RF Convertidor de subida Modulador RF Amplificador de potencia OSCILADOR LOCAL 1 OSCILADOR LOCAL 2 Antena Transmisora a)Transmisor Oscilador local 2 Señal de banda Base F1 Demodulador Antena Receptora Oscilador local1 F1 Filtro/ Amplificador Convertidor de Bajada RF b)Receptor Figura 1.5 Diagrama a bloques de una Terminal de microondas La figura 1.6 muestra un diagrama generalizado de un repetidor de microondas. La señal recibida por la antena de microondas, es filtrada y bajada a la F1 (nuevamente 70 MHz normales). Después ya sea amplificación y/o regeneración (dependiendo si se trata de un enlace analógico o digital) al a frecuencia de F1, la señal se sube de nuevo a la frecuencia Enlace terrestre vía microondas 31 Capitulo 1 PANORAMA GENERAL DE LOS SISTEMAS DE MICROONDAS de RF. Entonces la señal de RF se amplifica y se transmite. Cabe hacerse notar que se requiere el doble del equipo para la otra dirección de transmisión. Cuando se presenta un obstáculo en la trayectoria de microondas entre dos puntos, algunas veces es posible establecer un repetidor pasivo para redireccionar el haz de microondas y en general, cuando no se utilizan ni mezcladores ni amplificadores en la retransmisión, se dice que la propagación es de relevo o repetido pasivo. El tipo mas común de repetidor pasivo es un reflector metálico plano, el cual actúa como un espejo de microondas, para lo cual, debe establecerse una adecuada claridad de las trayectorias de líneas de vista entre el repetidor pasivo y cada uno de los puntos terminales. Antena Receptora Antena Transmisora Oscilador RF 1 Oscilador RF 2 F1 Mezclador RF 2 Mezcaldor RF 1 Filtro F1 Amplif. y/o Regenerador Convertidor bajada Amplificador RF (Conv. Subida) FIGURA 1.6 Diagrama a bloques de un repetidor de microondas Los sistemas microondas se encuentran en la banda de Super Altas Frecuencias (Super High Frequence - SHF) del espectro electromagnético, en un intervalo de 3-30 GHz. También se ha llegado a considerar los intervalos de 1-30 GHz, 3.30 GHz y hasta de 300 MHz a 20 GHz. 1.4 Ventajas y desventajas de los radio enlaces de microondas comparados con los sistemas de línea metálica Enlace terrestre vía microondas 32 Capitulo 1 PANORAMA GENERAL DE LOS SISTEMAS DE MICROONDAS Ventajas Volumen de inversión generalmente más reducido. Instalación más rápida y sencilla la instalación de las antenas de alta directividad debido a las longitudes de onda corta que se usan. Conservación generalmente más económica y de actuación rápida. Puede superarse las irregularidades del terreno. La regulación solo debe aplicarse al equipo, puesto que las características del medio de transmisión son esencialmente constantes en el ancho de banda de trabajo. Gran capacidad de transmisión; en 300 MHz es posible transmitir 1500 canales e radio o 50 de televisión. Debido al congestionamiento de las bajas frecuencia de radio se utiliza cada vez más la región de las frecuencias de microondas. Puede aumentarse la separación entre repetidores, incrementando la altura de las torres. Desventajas Explotación restringida a tramos con visibilidad directa para los enlaces. Necesidad de acceso adecuado a las estaciones repetidoras en las que hay que disponer de energía y acondicionamiento para los equipos y servicios de conservación. Se han hecho ensayos para utilizar generadores autónomos y baterías de células solares. Las condiciones atmosféricas (lluvia, smog, niebla entre otras) pueden ocasionar desvanecimientos intensos y desviaciones del haz, lo que implica utilizar sistemas de diversidad y equipo auxiliar requerida, supone un importante problema en diseño. Enlace terrestre vía microondas 33 Capitulo 1 PANORAMA GENERAL DE LOS SISTEMAS DE MICROONDAS Los instaladores y diseñadores requieren conocimientos especiales y experiencia diferente de los equipos convencionales en parte por que el análisis se hace más complejo por ser alta frecuencia. Clasificación de las trayectorias de microondas Clasificación de trayectoria basada en la topografía Debido a la estructura irregular de la superficie terrestre, la influencia que ejerce la topografía en la propagación es bastante complicada. Por lo cual es importante conocer los distintos casos de estructuras topográficas. Estos primeros casos son en situaciones en las que existe visibilidad. Caso 1 La trayectoria de propagación sirve como modelo básico de la teoría de propagación; en ella, el espacio de propagación entre el punto transmisor y el receptor tiene la característica de ser isotropito y no existen los fenómenos refracción, difracción, reflexión, absorción y dispersión. Este modelo considera únicamente la atenuación debida a la propagación entre los puntos transmisor y receptor. Caso 2 Es el modelo también es básico en las trayectorias de propagación con interferencias; es una trayectoria con interferencia entre las ondas directas y las reflejadas sobre una superficie lisa. Este tipo de modelo se presenta cuando se tiene una sección entre 10 y 15 Km. o menor, con visibilidad y cuando existe en esta una superficie plana de agua donde se reflejan las ondas. Caso 3 Este caso es similar al caso 2, difiere únicamente en que la superficie de reflexión es áspera, debido a irregularidades del suelo y los edificios. Con respecto alas señales de pequeña longitud de onda, la superficie de la tierra, en su mayor parte, puede considerarse Enlace terrestre vía microondas 34 Capitulo 1 PANORAMA GENERAL DE LOS SISTEMAS DE MICROONDAS áspera. Cuando la superficie de reflexión es áspera el coeficiente de reflexión toma un valor entre 1/3 y 1/5 o aun menor, del valor que toma la superficie es lisa. Caso 4 El modelo 4 considera la trayectoria de propagación cuando la superficie de reflexión es esférica y lisa. Este tipo de superficie se apega más a la realidad. Se considera dentro de este tipo a aquella trayectoria cuya superficie de refección es lisa como el agua. Caso 5 Parecido al caso 4, es decir, toma como superficie de reflexión a una superficie esférica, pero permite calcular las perdidas en la trayectoria cuando la superficie es áspera. Caso 6 Este modelo permite calcular las pérdidas de las trayectorias de propagación cuando existen dos o más superficies de reflexión. Estas superficies pueden ser naturales, pero también quedan incluidos los edificios y otros objetos, como superficies de reflexión. Los siguientes casos son para cuando no existe visibilidad en la trayectoria. Enlace terrestre vía microondas 35 Capitulo 1 PANORAMA GENERAL DE LOS SISTEMAS DE MICROONDAS 1. Caso en el espacio libre 2. Reflexion en una superficie plana lisa 3. Reflexion en una superficie plana aspera 4. Reflexion en una superficie esferica lisa 5. Reflexion en una superficie esferica aspera 6. Reflexion de trayectorias multiples FIGURA 1.7 Casos de trayectorias con visibilidad Caso 9 Cuando las causas de la falta de visibilidad son obstáculos agudos tipo filo de navaja que se encuentran sobre la superficie curva de la tierra aplica este caso teniendo variantes respecto a la cantidad de obstáculos Caso 10 Este modelo de trayectoria de propagación considera la existencia del fenómeno de difracción por la redondez de la tierra y difracción por algún obstáculo tipo filo de navaja. Caso 11 Es un caso para calcular las perdidas de propagación en una trayectoria con dispersión en la troposfera. Este tipo de propagación es dominante en trayectorias sin visibilidad Enlace terrestre vía microondas 36 Capitulo 1 PANORAMA GENERAL DE LOS SISTEMAS DE MICROONDAS cuando se tiene una gran distancia entre los puntos a enlazar. En trayectorias donde la propagación puede describirse adecuadamente en este modelo es innecesario tomar en cuenta la estructura de la superficie terrestre. 7. Difracción en superficie esférica lisa 8. Difracción en superficie esférica áspera 9. Difracción ante obstáculos tipo filo de navaja 10. Difracción múltiple 11. Difracción ante obstáculos tipo filo de navaja Figura 1.8 Casos de trayectorias sin línea de vista directa Clasificación de las trayectorias en base al carácter de la zona Las trayectorias de las microondas se clasifican por la forma del perfil de la tierra y por los tipos de propagación. Existe otra clasificación basada en el carácter de la zona sobre las cuales se propagan las ondas, conforme a esto, las trayectorias se pueden dividir en tres grupos: 1) Trayectoria sobre zona terrestre. 2) Trayectoria sobre zona acuática. 3) Trayectoria sobre zona costera. Enlace terrestre vía microondas 37 Capitulo 1 PANORAMA GENERAL DE LOS SISTEMAS DE MICROONDAS La clasificación general de las trayectorias sobre zonas terrestres abarca muchos grupos y en cada uno de ellos, se produce desvanecimiento en forma distinta. Por ejemplo, si la trayectoria pasa por un campo congelado o por un desierto, el modelo que describirá quedara incluido en uno correspondiente a una superficie plana y lisa además su nivel promedio de intensidad de campo quedara igual; sin embargo, los desvanecimientos que se originan en ambas trayectorias son diferentes. 1.6 Confiabilidad de sistemas de radio transmisión por microondas Las normas de seguridad de funcionamiento de los sistemas de microondas han alcanzado gran rigidez. Por ejemplo, se utiliza un 99.98% de confiabilidad general en un sistema patrón de 6000 Km. de longitud, lo que equivale a permitir solo un máximo de 25 segundos de interrupción del año por cada enlace. Por enlace o radioenlace se entiende el tramo de transmisión directa entre dos estaciones adyacentes, ya sean terminales o repetidoras, de un sistema de microondas. El enlace comprende los equipos correspondientes de las dos estaciones, como así mismo las antenas y el trayecto de propagación entre ambas. De acuerdo con las recomendaciones del CCIR (ahora IUT) , los enlaces, deben tener una longitud media de 50 Km. Las empresas industriales que emplean sistemas de telecomunicaciones también hablan de una confiabilidad media del orden de 99.9999%, o sea un máximo de 30 segundos de interrupciones por año, en los sistemas de microondas de largo alcance. Los cálculos estimados y cómputos de interrupciones del servicio por fallas de propagación, emplean procedimientos parcial o totalmente empíricos. Los resultados de dichos cálculos generalmente se dan como tiempo fuera de servicio (TFS) anual por enlace o porcentaje de confiabilidad por enlace. La confiabilidad de los enlaces de microondas puede darse según fallas de equipo, aplicándose cálculos de probabilidad. Enlace terrestre vía microondas 38 Capitulo 1 PANORAMA GENERAL DE LOS SISTEMAS DE MICROONDAS Los resultados de los cálculos de confiabilidad de los equipos de microondas se expresan como disponibilidad (del equipo) por enlace (D). D = TES / TTD (1.5) Donde TES es el tiempo en servicio dentro de un período determinado y TDD es el tiempo total disponible. Una aplicación lógica de este método de cálculo es sumar las interrupciones por enlace durante el año, causadas por: - averías del equipo - malas condiciones de propagación Con el resultado se obtiene el TFS total que se puede aplicar como cifra de mérito de confiabilidad del enlace. Ninguno de los parámetros mencionados - Tiempo fuera de servicio anualmente, - Confiabilidad en porcentaje o - disponibilidad del equipo Proporciona una dirección adecuada de la seguridad de funcionamiento del equipo, en el caso de sistemas superconfiables. Los cálculos de TES (o tiempo disponible, D) y de TFS de los equipos de microondas siempre descansan en dos factores básicos: - El tiempo medio (de Funcionamiento) entre falla (TMEF) - El tiempo medio (de interrupción) hasta el servicio (TMHR). El TMHR incluye las siguientes demoras: - Notificación de falla, - Viaje hasta el lugar de instalación del equipo averiado, - Determinación del carácter de la falla y tiempo que realmente se ocupa para efectuar la reparación o el reemplazo necesario. Enlace terrestre vía microondas 39 Capitulo 1 PANORAMA GENERAL DE LOS SISTEMAS DE MICROONDAS Por lo tanto el TMHR representa el promedio de tiempo real fuera de servicio debido a fallas. La conexión entre el TMEF y el TMHR determina la relación de TFS de servicio debido a fallas. La conexión entre el TMEF y el TMHR determina la relación de TFS (tiempo no disponible o ND) TFS (ND) = TMHR / TMEF (1.6) TES (D) + 1 –ND (1.7) TFS anual = 8760 * (ND) horas El concepto de confiabilidad esta dado por confiabilidad = TES * 100% En un sistema redundante: ND = 5 / 5000 =0.001 = 0.1% Para el TMHR se ha tomado como ejemplo un valor de 5 horas que, como se ha mencionado, incluye todo el tiempo que transcurre desde el instante en que se produce una avería hasta que el equipo ha sido reparado y puesto nuevamente en servicio. También se supone un TMEF de 5000 horas para cada juego de equipo. Comprende aproximadamente a un procedimiento de dos fallas por año, fallas reales por que no hay duplicación de equipo. D = 1 - 0.001 = 0.999 = 99.9% TFS anual = 0.001 * 8760 = 8.76 horas En un sistema redundante, se supone que se utilizan dos juegos de equipos, interconectados por conmutadores y detectores automáticos para el traspaso instantánea del equipo en servicio al de reserva en caso de avería también se supone TMEF = 5000 horas cada juego de equipo y TMHR = 5 horas para cualquier falla. Cualquier falla en un solo juego de equipo no interrumpe el servicio. La interrupción solo puede ocurrir si se produce falla en ambos juegos simultáneamente. Enlace terrestre vía microondas 40 Capitulo 1 PANORAMA GENERAL DE LOS SISTEMAS DE MICROONDAS Suponiendo que las falla de los dos juegos de equipos del enlace se producen en forma errática e independiente. (TMEF) red = (TMEF)² / TMHR (1.8) Luego, (TMEF) red = (5000)² / 5 = 5000000 horas = 570 años Con los valores supuestos, el tiempo medio de funcionamiento entre fallas del enlace (averías reales del sistema) seria de 570 años. La relación TFS del enlace (D red) esta dada por ND red= TMHR / (TMEF)red = (TMHR/ TMER)² = (5 / 5000)² = 0.001% (1.9) D red = 1 - 0.00001 = 0.9999 = 99.9999% TFS anual = 0.000001 * 8760 = 0.0876 hr = 32 seg. En base a los valores empleados, las características de confiabilidad del equipo de un enlace puede especificarse como 32 segundos de TFS anual, esta cifra es solo una abstracción matemática. Como la duración de cualquier averiada en indivisible, puede suceder que en un ano determinado no ocurra ninguna interrupción. De producirse una falla, esta tendría que ser mucho mas prolongada (las 5 horas tomadas como ejemplo). El tiempo de restablecimiento estipulado en horas tendrá que ser acompañando de un valor equivalente de TMEF calculando en millones de horas (o sea cientos de años) para obtener una confiabilidad de 99.9999% por enlace. TMEF = 10^ MTRH Enlace terrestre vía microondas 41 Capitulo 1 PANORAMA GENERAL DE LOS SISTEMAS DE MICROONDAS Por ejemplo el tiempo de reparación es de 5 horas, el TMEF debe ser de 5000000 de horas = 570 años. Si el tiempo de reparación es de 1 hora, el TMEF debe ser 1000000 de horas = 14 años. El valor de 32 segundos de TFS en la practica carece de significado efectivo ya que no puede existir en realidad, excepto como una improbable serie de coincidencias. El enlace tendría que funcionar por lo menos durante 570 años para poder verificar el valor de confiabilidad; en dicho período habrían 569 años sin ninguna falla y un año cualquiera con 5 horas de interrupción. Los parámetros de disponibilidad o confiabilidad solo tendrían significado como rendimiento medio en un período de unos 10000 años, o sea en 10000 enlaces. En la práctica, para el cálculo de confiabilidad se presentan limitaciones impuestas por el hecho de que los sistemas de microondas generalmente deben funcionar con estaciones repetidoras distribuidas en una amplia región geográfica, incluso algunos puntos de difícil acceso. Este problema se agudiza en el caso de sistemas de muy largo alcance en que se necesita con mayor razón una confiabilidad elevada. Por lo tanto, la suposición de que el TMHR será menor de 1 o 2 horas, no esta de acuerdo con la realidad, incluso, la suposición de un TMHR de 5 horas, puede ser demasiado optimista. Conclusiones La finalidad de este capitulo ha sido el introducir al lector en la utilidad de los enlaces vía microondas, conociendo ya las bases de esta forma de comunicarse será apropiado conocer las regulaciones a las que se atiene así como los efectos físicos y electromagnéticos que están presentes a la hora de comunicarse los cuales se analizaran en el siguiente capitulo. Enlace terrestre vía microondas 42 Capitulo 2 CONSIDERACIONES BÁSICAS DE ENLACES DE MICROONDAS CAPITULO 2 CONSIDERACIONES BÁSICAS DE ENLACES DE MICROONDAS. Objetivo: Mencionar la utilidad de la regularización en las comunicaciones por microondas así como los fenómenos físicos que se manifiestan al realizar un enlace Enlace terrestre vía microondas 43 Capitulo 2 CONSIDERACIONES BÁSICAS DE ENLACES DE MICROONDAS Introducción El uso de los radio enlaces requiere que se aproveche el ancho de banda que se asigna a estos fines por lo que es necesaria la normalización exacta permitiendo la correcta distribución de frecuencias evitando así problemas de interferencia entre canales, entre otros problemas. Otro requerimiento es el conocer como afecta la transmisión y recepción de datos aquellos fenómenos tan comunes de física tales como la reflexión, refracción y difracción características de la óptica pero que debido a la naturaleza de las microondas se encuentran presentes en estas. También se analiza el efecto de la atenuación y desvanecimiento en las señales, teniendo gran impacto en el diseño de un enlace real. 2.1 Sistemas con línea de vista. La mayoría de los sistemas de comunicación por radio, en la región de microondas que están en uso actualmente, se pueden clasificar en dos categorías principales. 1. Sistemas con línea de vista 2. Sistemas sobre el horizonte Los sistemas con línea de vista (LOS) emplean relativamente baja potencia de transmisión sobre trayectorias de 15 a 75 kms de longitud por enlace, (después de la cuál se requiere una estación repetidora) para sistemas de comunicación instalados en tierra. Los sistemas de línea de vista también se emplean en la comunicación por satélite sobre grandes distancias en el espacio. Los sistemas sobre el horizonte emplean altas potencias de transmisión por ejemplo del orden de 50 kw o más para trayectorias de 75 a 10 Kms. de longitud por enlace. Debido a las necesidades de acomodar un gran número de canales telefónicos y los requisitos para la transmisión de televisión, es necesario emplear frecuencias cada vez más altas en la banda de las súper altas frecuencias (SHF). Se han diseñado modernos enlaces Enlace terrestre vía microondas 44 Capitulo 2 CONSIDERACIONES BÁSICAS DE ENLACES DE MICROONDAS de microondas para transmitir grandes anchos de banda con modulación en frecuencia hasta los 10 MHz sobre distancia de varios miles de kilómetros con alta calidad de funcionamiento y confiabilidad esenciales para las rutas de comunicación a grandes distancias nacionales e internacionales. Teóricamente un sistemas con línea de vista puede extenderse sobre terreno favorable y sin barreras naturales sobre una gran distancia por ejemplo de 4500 a 6000 Kms., empleando muchos puntos de repetición. Sin embargo, la distancia que se puede cubrir por cada enlace, está limitada a distancias cortas tales como 45 a 75 Kms. Para enlaces a grandes distancias se emplean los sistemas de propagación sobre el horizonte, esto es por difracción o por dispersión troposférica. Los sistemas de alta potencia por dispersión troposférica son relativamente recientes y su empleo se ha extendido rápidamente hasta ocupar una posición sobresaliente en los sistemas que proporcionan comunicación a grandes distancias. Durante los años de la Segunda Guerra Mundial y posteriormente muchas investigaciones mostraron la existencia de niveles de señal sobre el horizonte, las cuales eran considerablemente más grandes que las esperadas por la teoría de la difracción de una tierra plana y lisa. Desde 1950 las investigaciones sistemáticas han probado la estabilidad de niveles de señales medianas, las cuales se predicen a partir de la teoría de la difracción de la tierra plana, no obstante que la gama del valor de la variación del nivel puede ser muy extenso. Se han aplicado varias teorías para este nuevo fenómeno de propagación por dispersión troposférica, pero el mecanismo no ha sido entendido completamente hasta la fecha por lo que toda vía se emplearán algunos anos para desarrollar tecnologías aplicables. Sin embargo, la mayoría de los investigadores coinciden en que el fenómeno puede explicarse por un proceso de dispersión en las irregularidades de la atmósfera, asociadas con las variaciones en su índice de refracción. Una de las principales ventajas de esos sistemas comparados con los sistemas de línea de vista es, que los primeros proporcionan comunicación confiable sobre grandes distancias Enlace terrestre vía microondas 45 Capitulo 2 CONSIDERACIONES BÁSICAS DE ENLACES DE MICROONDAS del orden de varios cientos de Kms., sin emplear estaciones repetidoras. Este hecho es de un valor considerable cuando el terreno de la ruta es poco accesible o cuando se interponen porciones de agua. En los últimos años ha surgido un desarrollo radica en los métodos de transmisión por microondas, principalmente por el empleo de satélites como estaciones repetidoras. En la actualidad la comunicación por satélite nos proporciona sistemas de comunicación de alcance mundial, incluyendo la transmisión de programas de televisión. En menos de 10 años a partir del lanzamiento del Sputnik 1 el empleo de satélites se ha desarrollado desde pruebas puramente científicas a aplicaciones prácticas, tales como los satélites meteorológicos (de la serie tiros), satélites de comunicaciones y naves espaciales tripuladas. En las últimas décadas se ha suscitado una enorme demanda de canales de comunicación no solamente para telefonía, sino también para canales de TV y para sistemas de transmisión de datos. El rápido crecimiento de los sistemas de microondas por línea de vista puede atribuirse a las siguientes características. 1) Una gran capacidad de canales y la versatilidad para emplear sistemas con unos pocos canales de voz o sistemas con capacidad para varios canales de televisión. 2) Una fácil extensión en la capacidad. 3) Un tiempo de instalación relativamente corto. 4) Mejor adaptación a terrenos poco accesibles y a barreras naturales. Los campos principales de aplicación para los sistemas de comunicación por línea de vista son los siguientes. 1) Sistemas fijos “integrados” para telefonía o televisión que formen parte de redes nacionales o internacionales. Enlace terrestre vía microondas 46 Capitulo 2 CONSIDERACIONES BÁSICAS DE ENLACES DE MICROONDAS 2) Sistemas fijos “no integrados” para telefonía o televisión los cuales están conectados ocasionalmente con las redes nacionales e internacionales. 3) Sistemas portátiles que se emplean generalmente para propósitos de televisión comercial en eventos espaciales o para usos militares, los cuales pueden interconectar a las redes nacionales e internacionales. 2.2 Estructura de un sistema de microondas con línea de vista. En la figura 2.1 se muestra un diagrama a bloques de los elementos básicos que forman un sistema de microondas. f2 f1 T R REPETIDOR f2 Banda básica R Banda básica T REPETIDOR 35 – 75 Kms f1 Figura 2.1 Elementos básicos que forman un sistema de microondas El sistema de la figura 2.1 está formado por 2 estaciones terminales y un número determinado de estaciones repetidoras separadas a intervalos de 35 o 75 Kms. En las estaciones terminales se genera una portadora de microondas, la cuál es modulada por las señales de TV o telefonía multicanal, la cuál se amplifica a una potencia de unos cuantos watts, esta señal se aplica a una antena directiva (parabólica) para luego irradiarse ala primera estación repetidora. En la estación repetidora, la señal de microondas se recibe, amplifica y se desvía en frecuencia para evitar Interferencia entre las señales que llegan y salen y luego se retransmiten a la segunda estación repetidora. Este proceso se sigue hasta llegar a la estación terminal. En este caso, el ruido y distorsiones que se producen en las señales al pasar por las estaciones repetidoras, deben de mantenerse a ciertos valores permisibles. Enlace terrestre vía microondas 47 Capitulo 2 CONSIDERACIONES BÁSICAS DE ENLACES DE MICROONDAS En la estación terminal distante, la señal de microondas después de amplificarse se remodula, recuperándose de la banda básica. 2.3 Frecuencias de Operación. La gama de los 1000 MHz a los 10,000 MHz está destinada particularmente para sistemas de microondas por línea de vista pero, pueden emplearse frecuencias superiores eficientemente bajo condiciones apropiadas. Cuando se opera en la región de los 10,000 MHz, la lluvia, niebla o nieve originan una fuerte absorción de la señal; y a frecuencias más elevadas del orden de 20 GHz la absorción también es bastante elevada debido al vapor de agua y oxígeno. La banda de frecuencias asignada en la Convención Internacional de Génova en 1959 para enlaces de punto a punto es la siguiente: 335 a 420 MHZ 1700 a 2300 MHz 3400 a 4200 MHz 5925 a 8500 MHz 10500 a 13250 MHz La selección de la frecuencia depende de muchos factores. Las altas frecuencias proporcionan más directividad de las antenas, menos juegote la primera zona de FRESNEL y mayor ancho de banda disponible para la información que se requiere transmitir. Por otro lado la pérdida de propagación, el desvanecimiento y la figura de ruido del receptor aumenta con la frecuencia. Además la potencia de transmisión tiende a disminuir cuando la frecuencia aumenta. El ruido atmosférico y el generado por el hombre son mayores en el extremo inferior de la banda de UHF. Debido a este inconveniente, los enlaces de microondas por línea de vista han sido agrupados en la banda de frecuencias de 1000 a 10,000 MHz. Enlace terrestre vía microondas 48 Capitulo 2 CONSIDERACIONES BÁSICAS DE ENLACES DE MICROONDAS Plan de frecuencias La distribución de frecuencias de los canales de radiofrecuencia de los enlaces de microondas que emplean repetidores (relevadores), esta basado en las recomendaciones del ITU-R (Unión Internacional de Telecomunicaciones – Sección de Radiocomunicaciones) anteriormente Comité Consultivo Internacional de Radiocomunicaciones (CCIR). Se define un plan de frecuencias para cada banda destinada a las comunicaciones en el espectro de súper altas frecuencias (SHF) en función de la capacidad del sistema, en numero de canales telefónicos, esto es de acuerdo al numero de canales telefónicos se recomienda el numero de canales de radiofrecuencia que pueden acomodarse en una banda, el espaciado entre ellos y la frecuencia de canales principales y suplementarios. Los planes de frecuencia contienen también recomendaciones para el número de canales de radio frecuencia que pueden operarse en paralelo empleando la misma antena e incluyen sugerencias para la polarización apropiada que debe emplearse. El seleccionar un plan de frecuencias adecuado para un enlace vía microondas de acuerdo con el CCIR, nos permite: 1) En enlaces internacionales, es la única forma de que coincidan las frecuencias de operación de sistemas de relevadores, de diferentes administraciones telefónicas o de televisión, lográndose con esto la interconexión y el empleo de las facilidades de las redes existentes en diferentes países. 2) Reducir los efectos de la interferencia entre sistemas paralelos lo cual es bastante más problemático en regiones fronterizas. En países con alta densidad de tráfico, telefónico o de TV, requieren de muchos sistemas en paralelo para que cubran los requisitos exigidos por lo que para evitar interferencias mutuas entre sistemas, se requiere de una cuidadosa planificación en la distribución de frecuencias para los canales de radiofrecuencia (R.F). Enlace terrestre vía microondas 49 Capitulo 2 CONSIDERACIONES BÁSICAS DE ENLACES DE MICROONDAS 3) Un mejor empleo del espectro electromagnético. Un plan de frecuencias es de gran valía para el fabricante de subsistemas y sistemas de microondas, ya que con estos datos puede diseñar sus dispositivos o equipos para que sean compatibles con otros fabricantes de diferentes países. 2.4 Atenuación en el espacio libre Es necesario analizar el comportamiento de la onda electromagnética que parte de una antena y se irradia en el espacio libre. Este fenómeno se refiere a la perdida de intensidad de la señal entre un transmisor y un receptor, en una región sin obstáculos y atmósfera normal. Puede presentarse en dos formas a saber: 1) Atenuación por dispersión. 2) Atenuación por absorción. La atenuación por dispersión, se analiza a partir de la potencia de una señal emitida por la antena, esta señal se distribuye sobre áreas cada vez más grandes (frentes de ondas esféricas), dando como resultado que la potencia de la señal que llega a la antena receptora, es una pequeña fracción de la potencia emitida. Este concepto es básicamente la ley inversa de propagación en óptica aplicado a la transmisión de las microondas. Figura 2.1 Atenuación por dispersión en términos eléctricos E y magnéticos H Enlace terrestre vía microondas 50 Capitulo 2 CONSIDERACIONES BÁSICAS DE ENLACES DE MICROONDAS La atenuación por absorción se presenta a frecuencias de 10 GHz en adelante y consiste en la perdida de la intensidad de la energía electromagnética, debido a que la longitud de la onda de esta, es comparable a la separación entre moléculas en el espacio libre, las cuales entran en resonancia originando así la absorción de energía del frente de la onda electromagnética. Absorción atmosférica De los componentes de la atmósfera, el vapor de agua y el oxigeno son los principales que absorben la energía de la onda electromagnética que se propaga a través de ellos. El primero debido a su momento de dipolo eléctrico y el segundo a l momento de su dipolo magnético. Dispersión originada por lluvia y neblina Las gotas de agua dispersan parte de la energía electromagnética del haz de microondas, originando una atenuación a lo largo del trayecto en función de la frecuencia. La atenuación debido a una densa niebla en un trayecto de 65 kilómetros a una longitud de onda mayor de 4 cm. (7500 MHz) es de aproximadamente 4.3 decibeles (dB). Para longitudes de onda mayor a 5 cm. La absorción y la dispersión no son muy importantes a frecuencias inferiores de 5 GHz, la atenuación originada por la lluvia no interviene al determinar el espaciado de las estaciones repetidoras. La distancia del trayecto se determina por las características del terreno y la altura de las torres. A frecuencias superiores a los 10 GHZ, la separación entre estaciones esta determinado por la atenuación originada por la lluvia y a frecuencias superiores a los 18 GHz el espaciado entre estaciones es de tan solo unos cuantos kilómetros. Aunque la atenuación causada por la lluvia puede despreciarse para frecuencias por debajo de 5 GHz, ésta debe incluirse en los cálculos de diseño a frecuencias superiores donde su importancia aumenta rápidamente. La atenuación específica debida a la lluvia Enlace terrestre vía microondas 51 Capitulo 2 CONSIDERACIONES BÁSICAS DE ENLACES DE MICROONDAS puede calcularse a partir de la Recomendación UIT-R 838. La atenuación específica a(dB/km) se obtiene a partir de la intensidad de lluvia R(mm/h) mediante la ley exponencial: a = kR donde k y son unas constantes que dependen de la frecuencia y de la polarización de la onda electromagnética. Algunos valores de k y para distintas frecuencias y polarizaciones lineales (horizontal y vertical) se muestran en la tabla I. En la Rec. UIT-R 838 se proporcionan un mayor número de valores. Para obtener valores a frecuencias intermedias se recomienda aplicar interpolación, utilizando una escala logarítmica para la frecuencia y para k, y una escala lineal para . De la tabla se deduce que la atenuación es ligeramente superior para polarización horizontal que para vertical. Esto se debe simplemente a la forma que adquieren las gotas de lluvia por el rozamiento durante la caída. Frecuencia (GHz) kH H kV V 6 0,00175 1,308 0,00155 1,265 8 0,00454 1,327 0,00395 1,310 10 0,0101 1,276 0,00887 1,264 20 0,0751 1,099 0,0691 1,065 30 0,187 1,021 0,167 1,000 40 0,350 0,939 0,310 0,929 60 0,707 0,826 0,642 0,824 100 1,12 0,743 1,06 0,744 Tabla 2.1 Coeficientes de regresión para estimar el valor de la atenuación específica. En la figura 2.2 se representan curvas de atenuación específica por lluvia en función de la frecuencia y para distintos valores de precipitación. Como puede observarse, la atenuación específica crece rápidamente para frecuencias por encima de 10 GHz. Para una Enlace terrestre vía microondas 52 Capitulo 2 CONSIDERACIONES BÁSICAS DE ENLACES DE MICROONDAS tasa de precipitación de R = 50 mm/h se obtienen valores de atenuación específica mayores de 10 dB/km para frecuencias superiores a 30 GHz. Por lo tanto, la lluvia es un problema serio en sistemas de radiocomunicaciones que operen a frecuencias milimétricas, como por ejemplo los sistemas LMDS a 28 GHz o los sistemas MVDS a 40 GHz. Figura 2.2 Atenuación específica para distintas intensidades de lluvia. Conviene indicar por último que en todos los cálculos anteriores se considera propagación en trayectos horizontales y polarizaciones lineales. Si se tiene una inclinación de la polarización con respecto a la horizontal o un determinado ángulo de elevación en el trayecto, entonces los valores de k y de la tabla deben modificarse por medio de unas fórmulas de corrección incluidas en la misma Recomendación. 2.6 Reflexion, refracción y difracción. En sistemas de comunicaciones alámbricas, las señales que contienen la información ésta afectada por perdidas que se consideran prácticamente constantes, pero en sistemas de microondas se tienen variaciones de la señal que, por ser debidas a cambios instantáneos en el medio de transmisión, producen como consecuencia fuertes cambios en el nivel de ruido del sistema. Estas variaciones o desvanecimientos de la señal pueden disminuirse proyectando cuidadosamente los tramos de la ruta y efectuando pruebas de propagación en cada tramo del sistema, calculando teóricamente las condiciones de propagación esperadas durante las más adversas condiciones del tiempo que puedan ocurrir. Enlace terrestre vía microondas 53 Capitulo 2 CONSIDERACIONES BÁSICAS DE ENLACES DE MICROONDAS Las ondas milimétricas se transmiten casi en línea recta y se enfocan por medio de antenas de alta ganancia en haces concentrados que exhiben algunas propiedades de la luz: 1) Atenuación por obstáculos y por la atmósfera 2) Reflexión del terreno y de partes planas tales como lagos y edificios. 3) Difracción alrededor de objetos sólidos. 4) Refracción o desviación por la atmósfera. Los efectos de la atmósfera, a las frecuencias de microondas se deben a las variaciones de la constante dieléctrica o bien del índice de refracción “n” del medio con respecto a la altura sobre la tierra. Se considera que la atmósfera está formada por capas esféricas que dependen de la temperatura. Si la tierra no tuviera atmósfera, los haces se propagarían en línea recta desde la antena transmisora situada sobre la superficie de la tierra que tiene determinada curvatura, pero debido a la variación del índice de refracción, los haces tendrán una determinada curvatura. En realidad lo importante no es la curvatura de la tierra o la del haz si no la curvatura relativa de los haces respecto a la tierra lo que permite convenientemente considerar la propagación de las ondas en línea recta sobre una tierra que tiene una curvatura relativa. Reflexión Cuando una onda viaja que en un medio se encuentra una frontera que conduce a un segundo medio, parte o la totalidad de la onda se refleja en el primer medio pudiendo ocurrir de dos maneras; la reflexión especular (cuando es una superficie lisa) y la reflexión difusa (en superficies rugosas). Enlace terrestre vía microondas 54 Capitulo 2 CONSIDERACIONES BÁSICAS DE ENLACES DE MICROONDAS Figura 2.3 Tipos de reflector La identificación de una superficie como lisa o rugosa dependerá del tamaño del tamaño de las variaciones de la superficie con respecto a la longitud de la onda incidente. Figura 2.4 Grados de rugosidad La incidencia de la onda en una superficie lisa obedece a la ley de reflexión (ecuación 2.2) que indica que el ángulo de la onda incidente será igual al ángulo de la reflejada 1 `1 (2.2) Refracción Las ondas de radio están expuestas a sufrir una desviación en su trayectoria cuando atraviesan de un medio a otro con densidad distinta, en comunicaciones, este efecto sucede cuando las ondas electromagnéticas atraviesan distintas capas de la atmósfera variando su trayectoria en cierto ángulo. La desviación de la trayectoria es proporcional al índice de refractividad el cual esta dado por: Enlace terrestre vía microondas 55 Capitulo 2 CONSIDERACIONES BÁSICAS DE ENLACES DE MICROONDAS IR Vp Vm (2.3) Donde: Vp = velocidad de propagación en el espacio libre. Vm = velocidad de propagación en el medio. En términos de ángulos de incidencia y velocidad de la onda se maneja la ley de Snell. sen 2 v2 sen1 v1 (2.4) Donde: v1= velocidad de la onda en el medio 1 v2 = velocidad de la onda en el medio 2 ө1= angulo de incidencia respecto a la normal ө2= angulo de la onda refractada respeto a la normal Onda incidente Onda reflejada ө1 ө1I Medio 1 V1 Medio 2 v2 ө2 Figura 2.5 Ley de Snell Difracción Las ondas de radio también se transmiten alrededor de la tierra por el fenómeno de difracción. La difracción es una propiedad fundamental del movimiento de ondas. Enlace terrestre vía microondas 56 Capitulo 2 CONSIDERACIONES BÁSICAS DE ENLACES DE MICROONDAS El efecto de difracción alrededor de la curvatura de la tierra, es el que hace posible la transmisión más allá de la línea de vista. La magnitud de la perdida originada por la obstrucción, aumenta cuando se incrementan la distancia o la frecuencia y depende de la altura de las antenas. Las pérdidas por sombra originadas por grandes obstrucciones tales como colinas y montañas, pueden predecir si estas obstrucciones están perpendiculares a la dirección de propagación y forman una barrera de difracción. Para este caso, puede emplearse la teoría de difracción de Fresnel empleada en óptica para el cálculo de la perdida por sombra, lo cual se suma a la perdida de propagación en el espacio libre. 2.6 Desvanecimiento Las variaciones del campo eléctrico recibido, ocasionado por los cambios del medio de transmisión, y la topografía de la ruta se denominan desvanecimientos, los cuales se dividen en dos grupos diferentes: a) Desvanecimiento por atenuación. b) Desvanecimiento por interferencias. En cualquier momento pueden ocurrir los desvanecimientos mencionados solos o en combinación. Para poder visualizar fácilmente los efectos de la atmósfera sobre la propagación se emplean curvas (figura 2.6) que representan la variación del índice de refracción modificado N (ecuación 2.5) con respecto a la altura sobre la tierra: N n h 79 4800 p 1 ( p ) *10 6 Rt T T (2.5) El valor normal de N es solamente 1/10000 más grande que 1. En algunas ocasiones es conveniente relacionar al índice de refracción modificado N con la constante M: M= (N-1)106 Enlace terrestre vía microondas (2.6) 57 Capitulo 2 CONSIDERACIONES BÁSICAS DE ENLACES DE MICROONDAS Inversión del haz Señal h a ) Desvanecimientos rapidos nivel bajo Espacio libre Humedad y temperatura alta N Tiempo Variaciones pequeñas Nivel normal Propagacion normal K= 4/3 K= infinito Señal h K= 4/3 K= 2/3 b Doblez del haz Desvanecimientos nivel bajo Señal h c Espacio libre Humedad y temperatura baja N Tiempo Propagacion por ducto Desvanecimientos largos nivel alto Señal h d Humedad baja N Tiempo Propagacion por ducto atmosferico Señal h Desvanecimientos fuertes nivel alto e N Figura 2.6 Desvanecimientos Enlace terrestre vía microondas Tiempo 58 Capitulo 2 CONSIDERACIONES BÁSICAS DE ENLACES DE MICROONDAS Como cuando se efectúan mediciones meteorológicas, el índice modificado N tiene su uso al tratarse de teoría electromagnética, pero las curvas M o N, por supuesto, no alteran su forma. En una atmósfera estándar (k= 4/3) el índice N aumenta en forma lineal con respecto a la altura sobre la tierra y la inclinación de la curva significa la cantidad de doblez del haz de microondas con respecto a la tierra según se muestren en la Fig. (2.7) K=infinito K= 4/3 Altura h Tiempo K= 2/3 N Figura 2.7 Doblez del haz de microondas con respecto a la tierra. La condición normal prevalece durante el día cuando las corrientes de aire caluroso por convección, así como los vientos, mantienen la atmósfera bien mezclada. Durante otros tiempos ocurren efectos no lineales de temperatura, humedad y presión que causan irregularidades en las curvas del índice N que a su vez son las causas de los desvanecimientos. Al atardecer y durante la noche el calor es radiado por la tierra y distribuido a las capas de la atmósfera que se encuentran cerca de la tierra, creando así una inversión, de temperatura y cambios de humedad en la atmósfera. Dependiendo de la evaporación que ocurre simultáneamente y de la condición de la atmósfera se distorsiona la curva del índice N y da como resultado el haz que se invierte y Enlace terrestre vía microondas 59 Capitulo 2 CONSIDERACIONES BÁSICAS DE ENLACES DE MICROONDAS se dobla hacia arriba aumentando su curvatura, y disminuyendo la señal recibida (figura 2.6a). En la cercanía de la superficie de la tierra equivale este efecto a una variación de k a k= 2/3 debido a que la pendiente de la curva disminuye pero en ciertos casos puede ocurrir lo contrario, si la pendiente aumenta se invierte el haz hacia abajo y la señal también bajara y tendrá las variaciones que se muestran en la figura 2.6c. Esta condición se debe a poca humedad y a un aumento de la temperatura con respecto a la altura de la tierra y en ciertos casos, puede ocurrir debido a las temperaturas relativas que se encuentran entre los lagos y la tierra. Si el aire caliente y seco pasa sobre la tierra fría se evapora la humedad y se pueden formar capas en la atmósfera muy bien definidas, las cuales dan como resultado la formación de ductos, llamados así porque pueden atrapar las ondas de manera similar a una guía de onda. L curva de N tendrá la forma indicada en la figura 2.6d. El mismo efecto de “ducto” puede formarse en regiones de alta presión barométrica al bajar grandes masas de aire que chocan con la tierra y se dispersan. Sin embargo en regiones de baja presión barométrica el aire que sube y los vientos que se forman mantienen la atmósfera bien mezclada y favorecen la propagación normal. Puede presentarse el caso de regiones montañosas donde se forma mucha neblina por el enfriamiento de la tierra el atardecer o por el flujo de aire caliente sobre la tierra fría. La neblina consiste de pequeñas gotas formadas al cambiar el agua de estado gaseoso al líquido, manteniendo la cantidad total de agua constante, y debido a esto no habrá grandes cambios del índice de refracción. La inversión normal de la temperatura dentro de la neblina puede ocasionar la condición descrita en la primera ilustración en la figura (2.3a), con una ligera inversión del haz acompaña por un nivel bajo de la señal que subsiste hasta que la neblina desaparezca. Las gotas de la neblina y de la lluvia normal tienen un efecto despreciable sobre la Enlace terrestre vía microondas 60 Capitulo 2 CONSIDERACIONES BÁSICAS DE ENLACES DE MICROONDAS propagación y presenta poca perdida de la señal por atenuación. La ilustración 2.6e muestra la condición de ducto elevado por formado por dos capas que mantienen las ondas atrapadas aumentando la señal recibida cuando ambas antenas se encuentran dentro del ducto y produciendo desvanecimientos fuertes debido a las condiciones variables del mismo. Desvanecimientos por atenuación ocurre bajo condiciones de inversión o doblez del haz, cuando el obstáculo no se libra lo suficiente para compensar las variaciones de la curvatura del haz y la señal será como se muestra en la primera y tercera ilustración. Estos desvanecimientos pueden evitarse aumentando las alturas de las antenas sin embargo, pueden ocurrir desvanecimientos por atenuación al atraparse las ondas por ductos atmosféricos y si el transmisor o receptor se encuentran fuera del ducto atmosférico pueden disminuirse la señal considerablemente durante mucho tiempo o por cortos instantes, según sea el caso ( figura 2.6d). Los casos principales de los desvanecimientos por interferencias se atribuyen a las variaciones de temperatura, presión y humedad que continuamente ocurren en la atmósfera, dando como consecuencia que puedan ocurrir varias trayectorias de las ondas entre el transmisor y el receptor, ya sea por reflexiones en la atmósfera o de la tierra. Cada trayectoria tiene diferente longitud y se suma fuera de o en fase con la onda directa, dando como resultado que en cualquier instante la señal recibida será la suma vectorial de todas las ondas contribuyentes de diferentes trayectorias y puede mejorar o cancelar la señal recibida. Las variaciones de la señal recibida, calculada estadísticamente, siguen la distribución de probalidades de Rayleigh según se muestra en la figura 2.8, junto con valores experimentales obtenidos para diferentes frecuencias de operación y para diferentes longitudes de los tramos. Enlace terrestre vía microondas 61 Capitulo 2 CONSIDERACIONES BÁSICAS DE ENLACES DE MICROONDAS 100 Mc/s 2000Mc/s 4000 Mc/s Rayleigh 15 Km 30 Km 65 Km Rayleigh PORCENTAJE DEL TIEMPO CON EL NIVEL MENOR AL REFERIDO PORCENTAJE DEL TIEMPO CON EL NIVEL MENOR AL REFERIDO 10 1.0 0.1 % 10 0 -10 -20 -30 -40 10 1.0 0.1 % 10 dB NIVEL DE SEÑAL REFERIDO AL NIVEL FORMAL 0 -10 -20 -30 -40 dB NIVEL DE SEÑAL REFERIDO AL NIVEL FORMAL Figura 2.8 Para que los desvanecimientos de este tipo no afecten al sistema es necesario proveer una potencia de salida suficientemente alta y un margen adecuado contra desvanecimientos en el receptor, y en el caso de los desvanecimientos sean excesivamente fuertes se emplean métodos para operación en diversidad ya sea de frecuencia o de espacio. El margen de seguridad contra desvanecimiento debe ser alrededor de 30 dB para lograr una confiabilidad de 99.9 % y de 40 dB para lograr una confiabilidad de 99.99 % para el tramo en consideración. Además es importante mantener una longitud de los tramos entre 15 y 65 Km. Ya que los desvanecimientos son proporcionales a la longitud del tramo. Los desvanecimientos fuertes pueden ocurrir en los tramos de propagación que atraviesan sobre terrenos planos o sobre agua debido a que las ondas reflejadas pueden cancelar por completo la señal recibida. Estos efectos pueden disminuirse, si el terreno lo permite, localizando una antena en un punto alto y la otra en un punto bajo manteniendo así la diferencia de fase entre la onda directa y la reflejada relativamente constante debido a que el área de las reflexiones se sitúa en la cercanía de la antena baja y no cambiara mucho cuando varia el factor K. Enlace terrestre vía microondas 62 Capitulo 2 CONSIDERACIONES BÁSICAS DE ENLACES DE MICROONDAS Características del Desvanecimiento. La transmisión de microondas por línea de vista está sujeta a desvanecimientos estadísticos, los cuales se deben a variaciones atmosféricas y a transmisiones con múltiples trayectorias. El desvanecimiento debido a variaciones atmosféricas puede reducirse o disminuirse, colocando dos antenas a alturas adecuadas. El desvanecimiento debido a la transmisión multitrayectoria exhibe varios tipos de distribuciones estadísticas, la condición extrema se aproxima a una distribución de Rayleigh, dependiendo de la frecuencia y la longitud de la trayectoria. Deben proporcionarse ciertos márgenes para compensar el desvanecimiento. Para alcanzar una confiabilidad del 99.99% se debe considerar un margen de 30 dB con respecto al la medida del desvanecimiento. Un método común de mejorar la confiabilidad y el funcionamiento o reducir el margen de desvanecimiento, es el empleo de diversidad de espacio o frecuencia. El primero requiere de antenas extras y el último de frecuencias extras. Propiedades estadísticas del desvanecimiento. Se mencionó anteriormente que los cambios atmosféricos originan variaciones en el nivel de la señal de recepción en función del tiempo. Generalmente, la severidad del desvanecimiento se incrementa cuando se incrementa la frecuencia o la longitud del a trayectoria. El desvanecimiento es originado principalmente por el doblez inverso del haz electromagnético y por efectos de trayectoria múltiple. Este último incluye el desvanecimiento originado por la interferencia entre dos ó más trayectorias separadas en la atmósfera. La figura 2.9 muestra el nivel de una señal recibida en un sistema de microondas de superficie con desvanecimientos. El nivel de la señal es relativo con respecto al valor de la señal en el espacio libre. Enlace terrestre vía microondas 63 Capitulo 2 CONSIDERACIONES BÁSICAS DE ENLACES DE MICROONDAS 0 -5 Nivel de señal de -10 Recepción Db -15 -20 -25 0300 0400 0500 0600 Figura 2.9 Señal recibida con desvanecimiento. La figura 2.10 muestra la grafica de una señal recibida en un sistema de microondas cuya trayectoria está sobre el agua. FIGURA 2.10 Señal recibida con trayectoria sobre el agua. El control estadístico del desvanecimiento es de gran importancia al tratar la confiabilidad de la señal y su mejoramiento mediante sistemas de diversidad, principalmente cuando se usan muchos enlaces en paralelo. El ruido y la diafonía que se introduce por fluctuaciones de fase en la señal recibida en sistemas multiplex, es de consideración. Ley de distribución de desvanecimiento Enlace terrestre vía microondas 64 Capitulo 2 CONSIDERACIONES BÁSICAS DE ENLACES DE MICROONDAS La forma aleatoria del fenómeno de desvanecimiento se representa por medio de una función de distribución, donde la atenuación en decibeles con respecto al espacio libre, se representa en la abscisa y la fracción de tiempo durante el cual la atenuación observada excede el valor, se muestre en la ordenada. Bullington presenta una familia típica de curvas, mostradas en la figura 2.11. La mayoría del desvanecimiento que ocurre en trayectorias irregulares con claros adecuados, es el resultado de la interferencia entre dos o más rayas que siguen diferentes rutas en la atmósfera. Este tipo de desvanecimiento debido a trayectorias múltiples es relativamente independiente del claro de la trayectoria y su condición extrema se aproxima a una distribución Rayleigh. Después de que el desvanecimiento por trayectorias múltiples ha alcanzado la distribución Rayleigh, un incremento adicional en la distancia o la frecuencia, incrementa el desvanecimiento pero disminuye la duración, así que el producto es la constante indicada por la distribución Rayleigh. Q (ε) atenuaciones (dB) 28 24 20 16 12 8 4 0 -4 Curva de Rayleigh Centrado en el valor medio 0.5 1.0 1.0 Pmax=0.86 Pmed= 0.83 V 0.1 P 0.05 K 4000 MHz 0.01 0.5 1000 MHz 0.005 300MHz 0.001 0.0005 100MHz 30MHz Valor de ε Area=1 0.0001 0 V K Figura 2.11 Características típicas de desvanecimientos en la peor condición. Las señales que están formadas por muchas componentes con diferentes amplitudes y de fase aleatoria muestran una distribución Rayleigh cuando el período de prueba evita influencias excesivas tales como la subrefracción. Se presentan muchas distribuciones para períodos de una hora o superiores, las cuales son muy parecidas a la ley de Rayleigh. Enlace terrestre vía microondas 65 Capitulo 2 CONSIDERACIONES BÁSICAS DE ENLACES DE MICROONDAS Conclusiones Hemos comentado la importancia del plan de frecuencias con el fin de recalcar que al diseñar un enlace se requerirá la asignación de la frecuencia por el organismo regulador de telecomunicaciones de nuestro país el cual a su vez se basa en el organismo internacional regulatorio (ITU-R). El análisis de la viabilidad de un enlace por un determinado método siempre estará fundamentado en parte en las condiciones en las que se puede implementar sin demasiado riesgo de corte de transmisión-recepción. Estas condiciones están ligadas a los efectos del ambiente considerando que no siempre son constantes. Por ello es la importancia de conocer y analizar los fenómenos que están interactuando de una u otra forma con nuestro medio de comunicación. Ya con las nociones básicas y generales de los enlaces vía microondas en el siguiente capitulo entraremos de lleno en un método particular de la transmisión de microondas. Enlace terrestre vía microondas 66 Capitulo 3 SISTEMAS DE RADIO DE MICROONDAS CON FRECUENCIA MODULADA CAPITULO 3 SISTEMAS DE RADIO DE MICROONDAS CON FRECUENCIA MODULADA Objetivo: Analizar el funcionamiento y constitución de un sistema de microondas con frecuencia modulada. Enlace terrestre vía microondas 67 Capitulo 3 SISTEMAS DE RADIO DE MICROONDAS CON FRECUENCIA MODULADA Introducción Una gran mayoría de los sistemas actuales de radio de microondas es de modulación de frecuencia, que naturalmente es analógica. Sin embargo, en fecha reciente se han desarrollado sistemas que usan modulación por conmutación de fase, o por amplitud en cuadratura, que son formas de modulación digital. Este capítulo describe principalmente los sistemas de radio de microondas FDM/FM. Aunque muchos de los conceptos de los sistemas son iguales, la eficiencia de las señales digitales se evalúa en forma muy distinta. Existen sistemas satelitales que usan PCM/PSK. Estos sistemas son semejantes a los sistemas terrestres de radio de microondas; de hecho, los dos sistemas comparten muchas de las frecuencias. La diferencia principal entre los sistemas satelitales y terrestres de radio es que los primeros propagan señales fuera de la atmósfera terrestre, por lo que son capaces de llevar señales mucho más lejos, usando menos transmisores y receptores. Modulación de Frecuencia - FM Al analizar el funcionamiento de un sistema de microondas con modulación FM es indispensable conocer los fundamentos de esta por lo que veremos los principios de esta modulación. Este es un caso donde tanto las señales de transmisión como las señales de datos son analógicas y es un tipo de modulación exponencial. En comparación con la modulación de amplitud AM la señal modulada de FM mantendrá fija su amplitud y el parámetro de la señal portadora que variará es la frecuencia, y lo hace de acuerdo a como varíe la amplitud de la señal moduladora. Enlace terrestre vía microondas 68 Capitulo 3 SISTEMAS DE RADIO DE MICROONDAS CON FRECUENCIA MODULADA Señal Moduladora (Datos) Señal Portadora FM AM Señal Modulada Figura 3.1 Comparación de las señales moduladas en frecuencia y amplitud La expresión matemática de la señal portadora, está dada por: (1) vp(t) = Vp sen(2π fp t) (3.1) Donde Vp es el valor pico de la señal portadora y f p es la frecuencia de la señal portadora. Enlace terrestre vía microondas 69 Capitulo 3 SISTEMAS DE RADIO DE MICROONDAS CON FRECUENCIA MODULADA Mientras que la expresión matemática de la señal moduladora está dada por: (2) vm(t) = Vm sen(2π fm t) (3.2) Siendo Vm el valor pico de la señal portadora y fm su frecuencia. De acuerdo a lo dicho anteriormente, la frecuencia f de la señal modulada variará alrededor de la frecuencia de la señal portadora de acuerdo a la siguiente expresión f = fp + Δf sen(2 π fm t) (3.3) por lo tanto la expresión matemática de la señal modulada resulta vp(t) = Vp sen[2π (fp + Δf sen(2 π fm t) ) t] (3.4) Δf se denomina desviación de frecuencia y es el máximo cambio de frecuencia que puede experimentar la frecuencia de la señal portadora. A la variación total de frecuencia desde la más baja hasta la más alta, se la conoce como oscilación de portadora. De esta forma, una señal moduladora que tiene picos positivos y negativos, tal como una señal senoidal pura, provocara una oscilación de portadora igual a 2 veces la desviación de frecuencia. Una señal modulada en frecuencia puede expresarse mediante la siguiente expresión (3.5) Se denomina índice de modulación a (3.6) Enlace terrestre vía microondas 70 Capitulo 3 SISTEMAS DE RADIO DE MICROONDAS CON FRECUENCIA MODULADA Se denomina porcentaje de modulación a la razón entre la desviación de frecuencia efectiva respecto de la desviación de frecuencia máxima permisible. (3.7) Al analizar el espectro de frecuencias de una señal modulada en frecuencia, observamos que se tienen infinitas frecuencias laterales, espaciadas en fm, alrededor de la frecuencia de la señal portadora fp; sin embargo la mayor parte de las frecuencias laterales tienen poca amplitud, lo que indica que no contienen cantidades significativas de potencia. El análisis de Fourier indica que el número de frecuencias laterales que contienen cantidades significativas de potencia, depende del índice de modulación de la señal modulada, y por lo tanto el ancho de banda efectivo también dependerá de dicho índice. 3.2 Modulación de frecuencia y de amplitud En los sistemas de radio de microondas se usa modulación en frecuencia (FM) más que modulación en amplitud (AM), porque las señales de amplitud modulada son más sensibles a no linealidades de amplitud, inherentes a los amplificadores de microondas de banda ancha. Las señales de frecuencia modulada son relativamente insensibles a esta clase de distorsión no lineal, y se pueden transmitir por amplificadores que tengan no linealidad de compresión o de amplitud, con relativamente poco demérito. Además, las señales FM son menos sensibles al ruido aleatorio y se pueden propagar con menores potencias de transmisión. El ruido de intermodulación es un factor importante en el diseño de sistemas de radio FM. En los sistemas de AM, ese ruido se debe a no linealidad de amplitud en la repetidora. En los sistemas de FM, el ruido de intermodulación es causado principalmente por la distorsión de la ganancia de transmisión y del retardo. En consecuencia, en los sistemas AM, el ruido por intermodulación es una función de la amplitud de la señal, pero en los sistemas FM es una función de la amplitud de la señal y de la magnitud de la desviación de frecuencia. Así, las características de las señales de frecuencia modulada son más adecuadas para la Enlace terrestre vía microondas 71 Capitulo 3 SISTEMAS DE RADIO DE MICROONDAS CON FRECUENCIA MODULADA transmisión por microondas que las de amplitud modulada. 3.3 Sistema de radio de microondas con frecuencia modulada Los sistemas de radio de microondas que usan modulación de frecuencia (FM) se conocen ampliamente por proporcionar comunicaciones flexibles, confiables y económicas, de punto a punto, cuando usan la atmósfera terrestre como medio de transmisión. Los sistemas de microondas FM que se usan con el equipo multiplexor adecuado son capaces de conducir en forma simultánea desde unos pocos circuitos de voz de banda angosta, hasta miles de circuitos de voz y de datos. También se pueden configurar los radios de microondas para llevar señales de datos de alta velocidad, facsímil, audio de calidad comercial y televisión comercial. Los estudios comparativos de costo han demostrado que la radio de microondas de FM es, casi siempre, el método más económico de proporcionar circuitos de comunicaciones cuando no hay ya cables metálicos ni fibras ópticas, o cuando existen duras condiciones de terreno o de clima. También, los sistemas de microondas de FM se pueden ampliar con facilidad. En la figura 3.2 se ve un diagrama de bloques simplificado de un sistema de microondas de FM. La banda base es la señal compuesta que modula la portadora FM, y que puede abarcar uno o más de los sistemas siguientes: Enlace terrestre vía microondas 72 Capitulo 3 SISTEMAS DE RADIO DE MICROONDAS CON FRECUENCIA MODULADA Convertidor elevador FI RF BB FI amp Entrada de banda base Red de preenfasís Desviador de FM Mezclador FI Generador de microondas FI RF BB FI amp Entrada de banda base Red de preenfasís Desviador de FM Mezclador BPF Generador de microonda s Red combinadra de canales (b) Convertidor elevador BPF Red combinadora de canales (a) Figura 3.2 Diagrama simplicado de bloques de un sistema de radio FM de microondas: a) Transmisor; b) receptor 3.4 Transmisor y receptor de microondas de FM Radiotransmisor de microondas de FM En el transmisor de microondas de FM que se ve en la figura 3.2a, una red de preénfasis antecede al desviador de FM. Esta red de preénfasis produce un refuerzo artificial a la amplitud de las frecuencias de la banda base superior. Lo anterior permite que las frecuencias de la banda base inferior modulen la frecuencia de la portadora de Fl, y que las frecuencias de la banda base superior modulen la fase de esa portadora. Con este esquema se asegura una relación de señal uniforme en todo el espectro de banda base. Un desviador de FM proporciona la modulación de la portadora de Fl que al final se transforma en la principal portadora de microondas. En el caso normal, las frecuencias típicas intermedias están entre 60 y 80 MHz, y 70 MHz es lo más común. En el desviador FM se usa modulación en frecuencia de bajo índice. Normalmente los índices de modulación se mantienen entre 0.5 y 1. De esta forma se produce una señal FM de banda angosta en la salida del desviador. En consecuencia, el Enlace terrestre vía microondas 73 Capitulo 3 SISTEMAS DE RADIO DE MICROONDAS CON FRECUENCIA MODULADA ancho de banda de la Fl se asemeja a la AM convencional y, más o menos, es igual al doble de la frecuencia máxima de la banda base. La Fl y sus bandas laterales asociadas se convierten a las mayores frecuencias de la región de microondas, mediante el mezclador, el oscilador de microondas y el filtro pasabandas. Para trasladar las Fl a las RF se usa mezclado, y no multiplicación, porque el índice de modulación cambia por el proceso de heterodinado. También, al multiplicar la portadora de FI se multiplicaría la desviación de frecuencia y el índice de modulación, aumentando así al ancho de banda. Los generadores de microondas consisten en un oscilador de cristal seguido por una serie multiplicadores de frecuencia. Por ejemplo, un oscilador de cristal de 125 MHz seguido por una serie de multiplicadores, con factor combinado de multiplicación igual a 48, se podría usar para una frecuencia de portadora de microondas de 6 GHz. La red combinadora de canales proporciona un medio de conectar más de un transmisor de microondas a una sola línea de transmisión que alimente a la antena. Radiorreceptor de microondas de FM En el radiorreceptor de microondas de FM que se ve en la figura 3.2 b, la red separadora de canales proporciona el aislamiento y el filtrado necesarios para separar canales de microondas individuales, y dirigidos hacia sus respectivos receptores. El filtro pasabandas, el mezclador AM y el oscilador de microondas bajan las frecuencias desde las RF de microondas hasta las FI, y las pasan al desmodulador FM. Este desmodulador es un detector convencional, no coherente de FM (es decir, un discriminador o un desmodulador PLL). A la salida del detector de FM, una red de deénfasis restaura la señal de banda base a sus características originales de amplitud en función de la frecuencia. Radiorepetidoras de microondas de FM La distancia admisible entre un transmisor de microondas de FM y su receptor asociado depende de muchas variables del sistema, por ejemplo, de la potencia de salida del transmisor, umbral de ruido del receptor, terreno, condiciones atmosféricas, capacidad del Enlace terrestre vía microondas 74 Capitulo 3 SISTEMAS DE RADIO DE MICROONDAS CON FRECUENCIA MODULADA sistema, objetivos de confiabilidad y expectativas de eficiencia. Normalmente, esa distancia es de 15 a 40 millas (23 a 64 Km.). Los sistemas de microondas de larga distancia salvan distancias mucho mayores. En consecuencia, un sistema de microondas de un solo salto, como el de la figura 3.2, es inadecuado en la mayoría de las aplicaciones prácticas. En sistemas con más de 40 millas, o cuando hay obstrucciones geográficas, como una montaña, en la trayectoria de transmisión, se necesitan repetidoras. Una repetidora de microondas es un receptor y un transmisor instalados espalda con espalda, o en tándem con el sistema. En la figura 3.3 se muestra un diagrama simplificado de bloques de una repetidora de microondas. La estación repetidora recibe una señal, la amplifica y la reconforma, y a continuación la retransmite hacia la siguiente repetidora o estación receptora. El lugar de las repetidoras intermedias depende mucho de la naturaleza del terreno entre ellas y el que les rodea. En la planeación preliminar de la ruta se suele suponer que las áreas son relativamente planas, y que las longitudes de los tramos (saltos) tendrán un promedio de 25 a 35 millas, entre estaciones. En un terreno relativamente plano, si se aumenta la longitud del tramo será necesario aumentar las alturas de las torres de antena. De igual modo entran en el proceso de selección la potencia de salida del transmisor y de la antena. La distancia exacta se determina principalmente por la falta de obstáculos en la línea de vista y por la intensidad de la señal recibida. Cuando las frecuencias son mayores de 10 GHz, la pluviosidad local también podría tener una gran influencia sobre la longitud de trayectoria. Sin embargo, en todos los casos se deben usar trayectorias tan horizontales como sea posible. Además, se debe tener en cuenta la posibilidad de interferencia, sea interna o externa. Enlace terrestre vía microondas 75 Capitulo 3 SISTEMAS DE RADIO DE MICROONDAS CON FRECUENCIA MODULADA Repetidora Entrada de FI RF FI O BB RF Tx Transmisor de microondas Rx Receptor de microondas Salida de FI RF Tx Transmisor de microondas Rx Receptor de microondas Figura 3.3 Repetidora de microondas Hay tres tipos básicos de repetidores de microondas: FI, banda base y RF (vease la figura 3.4). Los repetidores de FI también se llaman heterodinos. En una repetidora de FI (figura 3.4a), la portadora de RF recibida se reduce hasta una FI, se amplifica, reconforma y se sube a una RF, para retransmitirse a continuación. Nunca se remodula la señal a menos de la FI. En consecuencia, la repetidora no modifica información de banda base. En una repetidora de banda base (figura 3.4b), la portadora recibida de RF se baja hasta una FI, se amplifica, filtra y a continuación se demodula mas hasta la banda base. La señal de banda base, que suele ser de canales de banda de voz multiplexados por división de frecuencias, se sigue remodulando hasta los niveles de grupo maestro, supergrupo, grupo o hasta de canal. Esto permite reconfigurar a la señal de banda base para cumplir con las necesidades de ruta de la red general de comunicaciones. Una vez reconfigurada la señal de banda base, modula en frecuencia a una portadora de FI, que se convierte en portadora de RF y a continuación se retransmite. Enlace terrestre vía microondas 76 Capitulo 3 SISTEMAS DE RADIO DE MICROONDAS CON FRECUENCIA MODULADA Receptor Transmisor FI Amplificador de FI Igualador y conformador RF FI RF BPF FI Mezclador Amplificador de potencia de RF BPF Mezclador Generador de microondas (a) A otros multiplexores y demultiplexores Receptor Transmisor Equipo de múltiplexión y demultiplexión Receptor de FM Transmisor de FM RF RF BPF FI FI Mezclador Mezclador Amplificador de potencia de RF BPF Generador de microondas (b) Receptor RFent Transmisor RFsal (RFent+/-LO) FI BPF BPF Mezclador RFsal Amplificador de potencia de RF Oscilador local (c) Figura 3.4 Repetidoras de microondas: (A) FI; (b) banda base; (c) RF Enlace terrestre vía microondas 77 Capitulo 3 SISTEMAS DE RADIO DE MICROONDAS CON FRECUENCIA MODULADA Existe otra configuración de repetidora de banda base con un amplificador e igualador de banda base en lugar del equipo de multiplexión y demultiplexión. Esta repetidora remodula la RF hasta la banda base. Esta repetidora remodula la RF hasta la bande base, la amplifica y la reconforma, y a continuación modula la portadora de FM. En esta técnica, no se reconfigura la banda base. En esencia, esta configuración hace lo mismo que una repetidora de FI. La diferencia es que en una configuración de banda base, el amplificador y el igualador actúan sobre frecuencias de banda base, mas que sobre FI. Las frecuencias de banda base son en general, menores de 9 MHz, mientras que las FI son de 60 a 80 MHz. En consecuencia, los filtros y amplificadores necesarios para las repetidoras de banda base son mas sencillos de diseñar y menos costosos que los que se requieren para repetidores de FI. Las desventajas de una configuración de banda base es la adición de equipo de recepción FM. La figura 3.4c muestra una repetidora de RF a RF. En estas repetidoras, la señal recibida de microondas no se baja a la FI o a la banda base; tan solo se mezcla (heterodina) con una frecuencia de oscilador local en un mezclador no lineal. La salida del mezclador se sintoniza a la suma o diferencia de la RF que llega y la frecuencia del oscilador local, dependiendo de si se desea conversión elevadora o reductora de frecuencia. A veces, al oscilador local se le llama oscilador de desplazamiento, y su frecuencia es bastante menor que las de radio que se reciben o transmiten. Por ejemplo, una RF de llegada de 6.2 GHz se mezcla con una frecuencia de oscilador local de 0.2 GHz, Y se producen las frecuencias de suma y diferencia de 6.4 GHz. Y 6.0 GHz Para una conversión elevadora de frecuencia, la salida del mezclador 6.4 GHz, y para una conversión reductora de frecuencia, a 6.0 GHz. En las repetidoras de RF a RF, la señal de radio sólo se convierte en frecuencia, para a continuación amplificarse y retransmitirse hacia la siguiente repetidora o estación receptora. En las repetidoras RF a RF no son posibles la reconfiguración ni la reforma. Los sistemas de microondas usan transmisión en línea de vista, y en consecuencia debe existir una trayectoria directa de señal entre las antenas de transmisión y de recepción. Así, si es trayectoria de señal sufre un gran deterioro, se interrumpirá el servicio. A través Enlace terrestre vía microondas 78 Capitulo 3 SISTEMAS DE RADIO DE MICROONDAS CON FRECUENCIA MODULADA del tiempo las perdidas en la trayectoria de radio varían con las condiciones atmosféricas, que pueden variar mucho y causar una reducción correspondiente en la intensidad de señal recibida, de 20, 30, 40 o más. Esta reducción de intensidad de señal es temporal, y se llama desvanecimiento de radio. El desvanecimiento puede durar desde unos milisegundos (corto plazo) o varias horas o (largo plazo). Los circuitos de control automático de ganancia, incorporados en los radiorreceptores, pueden compensar desvanecimientos de 25 a 40 dB, dependiendo del diseño del sistema sin embargo, los desvanecimientos mayores de 40 dB pueden causar una pérdida total de la señal recibida. Cuando esto sucede se pierde la continuidad del servicio. . Diversidad sugiere que hay más de una ruta de transmisión, o método de disponibles entre un transmisor y un receptor. En un sistema de microondas, el objetivo de usar diversidad es aumentar la confiabilidad del sistema, aumentando su disponibilidad. La muestra un medio relativamente sencillo para interpretar determinado porcentaje de confiabilidad del sistema a términos que se puedan relacionar fácilmente con la experiencia. Por ejemplo porcentaje de confiabilidad de 99.99% corresponde a unos 53 minutos de tiempo fuera de servicio al año, mientras que si el porcentaje de confiabilidad es 99.9999%, equivale sólo a 32 segundos tiempo interrumpido por año. Cuando hay más de una trayectoria o método de transmisión disponible, el sistema puede seleccionar la ruta o método que produzca la máxima calidad en la señal recibida. En general la máxima calidad se determina evaluando la relación de portadora a ruido (CIN, de carrier to noise) en la entrada del receptor, o tan sólo midiendo la potencia de la portadora recibida. Aunque hay muchas formas de obtener la diversidad, los métodos utilizados más comunes son de frecuencia, espacial, polarización, híbrido o cuádruple. Enlace terrestre vía microondas 79 Capitulo 3 SISTEMAS DE RADIO DE MICROONDAS CON FRECUENCIA MODULADA BPF A Transmisor de microondas Frecuencia B BPF B Combinadora de canales Entrada de FI Transmisor de microondas Frecuencia A A Divisor de potencia B Salida de RF (a) BPF A A Conmutador de FI Detector de calidad B Receptor de microondas Frecuencia B BPF B Combinadora de canales Receptor de microondas Frecuencia A Salida de FI Entrada de RF (b) Figura 3.5 Sistema de microondas con diversidad de frecuencia: (a) transmisor; (b) receptor 3.5 Diversidad de frecuencia, espacial, de polarización, híbrida y cuádruple Diversidad de frecuencia La diversidad de frecuencia sólo consiste en modular dos RF distintas de portadora con la misma información de FI, y transmitir entonces ambas señales de RF a un destino dado. En el destino, se demodulan ambas portadoras y la que produzca la señal de FI de mejor calidad es la que se selecciona. La figura 3.5 muestra un sistema de microondas de un solo canal con diversidad de frecuencia. En la figura3.5a, la señal de entrada de FI se alimenta a un divisor de potencia, que la dirige a los transmisores A y B de microondas. Las salidas de RF de los dos transmisores se combinan en la red combinadora de canales y se alimentan a la antena de transmisión. En el lado receptor (figura 3.5b), el separador de canales dirige las portadoras A y B de RF a sus receptores respectivos de microondas, donde se bajan a FI. El circuito detector de calidad determina cuál canal, el A o el B, es el de mejor calidad, y dirige ese canal por el Enlace terrestre vía microondas 80 Capitulo 3 SISTEMAS DE RADIO DE MICROONDAS CON FRECUENCIA MODULADA conmutador de FI para seguido demodulando hasta la banda base. Muchas de las condiciones atmosféricas adversas que degradan una señal de RF son de frecuencia selectiva; pueden degradar más una frecuencia que otra. En consecuencia, durante determinado tiempo, el conmutador de FI puede alternar muchas veces del receptor A al B y viceversa. Los arreglos de diversidad de frecuencia constituyen una redundancia de equipo, completa y sencilla, y tienen la ventaja adicional de proporcionar dos trayectorias eléctricas del transmisor al receptor. Su desventaja obvia es que duplica el espectro de frecuencia y el equipo necesarios. Diversidad espacial En la diversidad espacial, la salida de un transmisor se alimenta a dos o más antenas, físicamente separadas por una cantidad apreciable de longitudes de onda. De igual manera, en el receptor, puede haber más de una antena que proporcione la señal de entrada al receptor. Si se usan varias antenas receptoras, también deben estar separadas por una cantidad apreciable de longitudes de onda. La figura 3.6 muestra un sistema de microondas de un solo canal, con diversidad espacial. Cuando se usa diversidad espacial, es importante que la distancia eléctrica de transmisor a cada una de sus antenas, y de un receptor a cada una de sus antenas, sea un múltiplo igual de longitudes de onda, en longitud. Esto es para asegurar que cuando lleguen dos o mas señales de la misma frecuencia a la entrada de un receptor, estén en fase y sean aditiva: si se reciben desfasadas se anularán y en consecuencia será menor la potencia de la señal recibida que si sólo se usara una antena. Con frecuencia, las condiciones atmosféricas adversas se aíslan un área geográfica muy pequeña. En la diversidad espacial hay más de una ruta de transmisión entre un transmisor y un receptor. Cuando existen condiciones atmosféricas adversas en una de las rutas, es improbable que la ruta alterna tenga el mismo degradamiento. En consecuencia, la probabilidad de recibir una señal aceptable es mayor cuando se usa diversidad espacial que cuando no se usa. Un método alternativo de diversidad espacial usa una sola transmisora y Enlace terrestre vía microondas 81 Capitulo 3 SISTEMAS DE RADIO DE MICROONDAS CON FRECUENCIA MODULADA dos antenas receptoras separadas en sentido vertical. Según las condiciones atmosféricas en determinado momento, una de las antenas receptoras debe recibir una señal adecuada. También aquí hay dos rutas de transmisión, y es improbable que sean afectadas por el desvanecimiento al mismo tiempo. Los arreglos de diversidad espacial proporcionan redundancia de ruta, pero no redundancia de equipo. La diversidad espacial es más costosa que la diversidad de frecuencia las antenas y las guías de onda adicionales. Sin embargo, la diversidad espacial proporciona un uso eficiente del espectro de frecuencias y una protección bastante mayor que la diversidad de frecuencia. V Transmisor de microondas Combinador de canales Entrada de FM-FI BPF Salida de RF H (a) V Receptor de microondas BPF Combinador de canales Salida de FM-FI Entrada de RF H (b) Figura 3.6 Sistema de microondas con diversidad espacial: (a) transmisor; (b) receptor Diversidad de polarización En la diversidad de polarización, una sola portadora de RF se propaga con dos polarizaciones electromagnéticas diferentes, verticaly horizontal. Las ondas electromagnéticas de distintas polarizaciones no necesariamente están sometidas a las mismas degradaciones de transmisión. La diversidad de polarización se usa en general Enlace terrestre vía microondas 82 Capitulo 3 SISTEMAS DE RADIO DE MICROONDAS CON FRECUENCIA MODULADA junto con la diversidad espacial. Un par de antenas de transmisión y recepción se polariza en sentido vertical, y el otro en sentido horizontal. También es posible usar en forma simultánea la diversidad de frecuencia, espacial y de polarización. El experimento de Etienne Malus (1775 - 1812) en su versión para microondas, permite mostrar la naturaleza electromagnética de una radiación y solamente requiere de un polarizador el cual se gira el emisor respecto al receptor (se puede construir con el papel aluminio recortado en tiras de 3.5 mm de ancho, separadas igual distancia y de una longitud del orden de 15 cm. sujetas a una placa de acrílico de 15 cm por 15 cm. como en la Figura 3.7). FIGURA 3.7. Montaje experimental para mostrar la polarización de microondas Este sistema de conductores metálicos macroscópicos paralelos facilita el entendimiento de la relación entre la dirección del conductor y la dirección de oscilación del campo eléctrico E. La explicación del mecanismo de polarización resulta muy didáctico, al considerar sobre cada conductor una corriente inducida por acción del campo E externo. La ley de Malus [Ec. (2)], se encuentra midiendo la intensidad relativa I=Imax en función del ángulo µ entre el campo E y la dirección de polarización de la rejilla (figura. 3.8): I ( ) cos2 I max Enlace terrestre vía microondas (3.8) 83 Capitulo 3 SISTEMAS DE RADIO DE MICROONDAS CON FRECUENCIA MODULADA FIGURA 3.8. El carácter electromagnético de las microondas se manifiesta por su polarización a través de los conductores de la rejilla. El grado de define con la máxima intensidad (Imax) transmitida a través del polarizador y la mínima intensidad (Imin), mediante la relación : (3.9) Diversidad híbrida La diversidad híbrida es una forma algo especializada de diversidad, que consiste en una trayectoria normal de diversidad de frecuencia, en la que los dos pares de transmisor y receptor en un extremo de la trayectoria están separados entre sí y conectados a distintas antenas, separadas verticalmente como en la diversidad espacial. El arreglo proporciona un efecto de diversidad espacial en ambas direcciones; en una porque los receptores están separados verticalmente, y en la otra porque están separados horizontalmente. Este arreglo combina las ventajas operativas de la diversidad de frecuencia con la mejor protección de la diversidad espacial. Sin embargo, la diversidad híbrida tiene la desventaja de requerir dos radiofrecuencias para obtener un canal en funcionamiento. Diversidad cuádruple La diversidad cuádruple es otra forma de diversidad híbrida, e indudablemente proporciona la transmisión más confiable; sin embargo, también es la más costosa. El Enlace terrestre vía microondas 84 Capitulo 3 SISTEMAS DE RADIO DE MICROONDAS CON FRECUENCIA MODULADA concepto básico de diversidad cuádruple es bastante sencillo: es una combinación de diversidad de frecuencia, espacial, de polarización y de recepción en un solo sistema. Su desventaja obvia es que necesita equipo electrónico, frecuencias, antenas y guías de onda redundantes, que son cargas económicas. 3.6 Arreglos de conmutación de protección Para evitar una interrupción de servicio durante periodos de gran desvanecimiento o de fallas de equipo, se ponen a disposición, en forma temporal, otras instalaciones en un arreglo de conmutación de protección. Los conceptos generales de conmutación de protección y de diversidad son bastante parecidos. Ambos proporcionan protección contra fallas de equipo y desvanecimientos atmosféricos. La diferencia principal entre ellos es, simplemente, que los sistemas de diversidad sólo proporcionan una ruta de transmisión alternativa para un solo enlace de microondas, es decir, entre un transmisor y un receptor, dentro del sistema general de comunicaciones. Por otro lado, los arreglos de conmutación de protección proporcionan protección para una parte mucho mayor del sistema de comunicaciones, que en general comprende varias repetidoras que abarcan distancias de 100 millas (160 Km.) o más. También, los sistemas de diversidad proporcionan en general 100% de protección a un solo canal de radio, mientras que los arreglos de conmutación de protección se suelen compartir entre varios canales de radio. En esencia, hay dos tipos de arreglos de conmutación de protección: reserva continua y por diversidad. En la protección por reserva continua, cada canal funcional de radio tiene un canal de respaldo dedicado, o de reserva. En la protección por diversidad, un solo canal de respaldo está a la disposición hasta para 11 canales funcionales. Los sistemas de reserva continua ofrecen protección de 100% para cada canal funcional de radio. Un sistema por diversidad ofrece una protección de 100% sólo al primer canal funcional que falle. Si dos canales de radio fallan al mismo tiempo, se produce una interrupción del servicio. Reserva continua La figura 3.9a muestra un arreglo de conmutación de protección por reserva continua de Enlace terrestre vía microondas 85 Capitulo 3 SISTEMAS DE RADIO DE MICROONDAS CON FRECUENCIA MODULADA un solo canal. En el transmisor, la FI entra en un puente de inicio, que reparte la potencia de la señal y la dirige a los canales de microondas activo y de reserva, en forma simultánea. En consecuencia, tanto el canal funcional como el de reserva portan la misma información de banda base. En el receptor, el conmutador de FI pasa la señal de FI del canal funcional al equipo de terminal de FM. El conmutador de FI vigila en forma continua la señal recibida por el canal funcional y, si falla, pasa el canal de reserva. Cuando se restaura la señal de FI en el canal funcional, el conmutador de FI reasume su posición normal. Enlace terrestre vía microondas 86 Capitulo 3 SISTEMAS DE RADIO DE MICROONDAS CON FRECUENCIA MODULADA RF RF Tx Transmisor Rx Tx Repetidora Rx Receptor Entrada de FI Salida de FI Canal funcional Detector y controlador de calidad Puente de inicio Conmutador de FI Canal de reserva A receptor de FM Transmisor Tx Repetidora Rx Tx RF Receptor Rx RF (a) Canal 1 Entrada de FI Tx Transmisor Rx Receptor Salida de FI Conmutador de FI Canal 1 A receptor de FM Al detector de calidad Canal de reserva Conmutador de FI Tx Transmisor Rx Receptor Conmutador de FI Al detector de calidad Canal 2 Entrada de FI Tx Transmisor Rx Receptor Salida de FI Conmutador de FI Canal 2 A receptor de FM Al detector de calidad Canal auxiliar Líneas VF Tx Transmisor Rx Receptor Líneas VF (b) Figura 3.9 Arreglos para conmutación de protección de microondas: (a) reserva continua; (b) diversidad Enlace terrestre vía microondas 87 Capitulo 3 SISTEMAS DE RADIO DE MICROONDAS CON FRECUENCIA MODULADA Diversidad La figura 3.9b muestra un arreglo de protección de conmutación por diversidad. Este sistema tiene dos canales funcionales (el 1 y el 2), uno de reserva y un canal auxiliar. El conmutador de FI en el receptor vigila en forma continua la intensidad de la señal en ambos canales funcionales. Si alguno de ellos falla, el conmutador de FI detecta una pérdida de portadora y regresa al conmutador de FI de la estación transmisora una señal VF (frecuencia de voz) codificada en tonos, que le indica cambiar la señal de FI del canal que falla al de reserva, de microondas. Cuando regresa el canal que falló, los conmutadores de FI reasumen sus posiciones normales. El canal auxiliar sólo proporciona una ruta de transmisión entre los dos conmutadores de FI. En el caso normal, el canal auxiliar es una radio de microondas de baja capacidad y baja potencia, diseñado sólo para usarse como canal de mantenimiento. Confiabilidad La cantidad de estaciones repetidoras entre los conmutadores de protección depende de los objetivos de con fiabilidad del sistema. En el caso típico hay de dos a seis repetidoras entre las estaciones conmutadoras. Como se puede ver, los sistemas de diversidad y los arreglos de conmutación de protección son bastante parecidos. La diferencia principal entre ellos es que los sistemas por diversidad son arreglos permanentes, y tienen como objetivo compensar sólo las condiciones atmosféricas anormales entre únicamente dos estaciones dadas en un sistema. Los arreglos de conmutación de protección, por otra parte, compensan tanto los desvanecimientos de radio como las fallas del equipo, y pueden incluir de seis a ocho estaciones repetidoras entre los conmutadores. Los canales de protección también se pueden usar como instalaciones temporales de comunicaciones mientras se hace mantenimiento rutinario de un canal normal funcional. Con un arreglo de conmutación de protección, se protegen todas las trayectorias de señal y el equipo de radio. La diversidad se usa en forma selectiva, esto es, sólo entre estaciones que, históricamente, están expuestas a desvanecimientos severos un alto porcentaje del tiempo. Enlace terrestre vía microondas 88 Capitulo 3 SISTEMAS DE RADIO DE MICROONDAS CON FRECUENCIA MODULADA Es importante un estudio estadístico del tiempo fuera de servicio (es decir, de las interrupciones de servicio) causado por desvanecimientos de radio, fallas del equipo y mantenimiento, para diseñar sistemas de radio de microondas. A partir de ese estudio se pueden tomar decisiones técnicas acerca de cuál tipo de sistema de diversidad y de conmutación de protección se adapta mejor a determinada aplicación. 3.7 Estaciones de radio de microondas FM Básicamente hay dos clases de estaciones de microondas de FM: las terminales y las repetidoras. Las estaciones terminales son puntos en el sistema donde las señales de banda base se originan o se terminan. Las estaciones repetidoras son puntos de un sistema donde se puede reconfigurar las señales de banda base, o donde tan sólo se "repiten" o amplifican las portadoras de RF. Estación terminal En esencia, una estación terminal consiste en cuatro secciones principales: la banda base, el enlace de entrada con línea de alambre (WLEL, de wire line entrance link), y las secciones de FM-FI y RE La figura 3.10 muestra el diagrama de bloques de esas secciones. Como se mencionó, la banda base puede ser una de varias clases distintas de señales. En este ejemplo se usan canales de banda de voz multiplexados por división de frecuencia. Enlace de entrada con línea de alambre (WLEL). Con frecuencia, en grandes redes de comunicaciones como la de American Telephone and Telegraph Company (AT &T), la construcción que alberga la estación de radio es muy grande. En consecuencia, se prefiere instalar físicamente un equipo similar en un lugar común: por ejemplo, que todo el equipo de FDM (multiplexado por división de frecuencia) esté en el mismo recinto. Esto simplifica los sistemas de alarma, suministrando los requisitos de corriente cd al equipo, o al mantenimiento y demás necesidades de cableado. El equipo distinto se puede separar por distancias considerables. Por ejemplo, la distancia entre el equipo multiplexor FDM y la sección FM-IF suelen estar a cientos de pies de distancia, y en algunos casos a varias millas. Por esta razón se necesita un WLEL, que sirve como interfaz entre el equipo multiplexor de terminal y el y el equipo FM-IF. En general, un WLEL consiste Enlace terrestre vía microondas 89 Capitulo 3 SISTEMAS DE RADIO DE MICROONDAS CON FRECUENCIA MODULADA en un amplificador y un igualador, que juntos compensan las perdidas en el cable de transmisión, y dispositivos de conformación de nivel, que suelen llamar redes de preénfasis y deénfasis. Sección de FI. El equipo terminal de FM que se ve en la figura 3.10 genera una portadora de FI modulada en frecuencia. Esto se logra mezclando las salidas de dos osciladores desviados, cuya frecuencia difiere en la cantidad que se desea en la portadora de FI. Los osciladores se desvían en oposición de fase, con lo que reduce en un factor de 2 la magnitud de la desviación de fase necesaria por un solo desviador. Con esta técnica también se reducen los requisitos de linealidad de desviación en los osciladores, y se proporciona la cancelación parcial de productos indeseados de modulación. De nuevo, el receptor es un detector convencional no coherente de FM. Banda base Enlace de entrada de linea de alambre Seccion FM-FI f1 ± ∆ f/2 Desviador f1 Salida de FI al transmisor Mux FDM Igualadores Red de preenfasis Amp Mezclador (f1 – f2) ± ∆ f Desviador f2 (a) Mux FDM Igualadores Red de deenfasis Amp Discriminador de FM f2 ± ∆ f/2 Limitador FI del receptor (b) Figura 3.10 Estacion terminal de microondas, banda base, enlace de entrada de linea de alambre y FM-FI: (a) transmisor; (b) receptor Sección de RF. En la figura 3.11 se ve un diagrama de bloques de una de microondas. La señal de FI Enlace terrestre vía microondas 90 Capitulo 3 SISTEMAS DE RADIO DE MICROONDAS CON FRECUENCIA MODULADA entra al transmisor (figura 3.11a) pasando por un interruptor de protección. Los amplificadores de FI y de compresión contribuyen a mantener constante la potencia de la señal de FI, a un nivel aproximadamente igual al requerido en el modulador de transmisión (transmod). Estos moduladores de transmisión son moduladores balanceados que, cuando se usan en conjunto con un generador de microondas, amplificador de potencia y filtro pasabandas, convierten la portadora de FI a una portadora de RF y amplifican la portadora RF a la potencia de salida necesaria. Los amplificadores de potencia para Ios radios de microondas deben poder amplificar frecuencias muy altas, y pasar señales de ancho de banda muy grande. Algunos de los dispositivos de uso frecuente en la actualidad como amplificadores de potencia de microondas son los tubos Klystron, los tubos de onda viajera (TWT, de travelingwaves tubes) y diodos IMPATT (impact/avalanche and transit time, impacto/avalancha y tiempo de transito). Como se usan antenas de alta ganancia, y la distancia entre las estaciones de microondas es relativamente pequeña, no es necesario alcanzar una gran potencia de salida en los amplificadores de salida del transmisor. Las ganancias normales de las antenas de microondas van de 10 a 40 dB, y las potencias normales de salida del transmisor son de 0.5 a 10 W. Un generador de microondas proporciona la entrada de portadora de RF al convertidor de subida de frecuencia. Se llama generador de microondas y no oscilador, por que es difícil construir un circuito estable que oscile en la zona de los gigahertz. . En lugar de ello se usa un oscilador controlado por cristal, que funcione en el intervalo de 5 a 25 MHz para proporcionar una frecuencia básica que se multiplique hasta la frecuencia RF deseada en la portadora Un aislador es un dispositivo unidireccional, fabricado a menudo de ferrita. El aislador se usa junto con una red combinadora de canales para evitar que la salida de un transmisor interfiera con la de otro. El receptor de RF (figura 3.11b) es, en esencia, igual que el transmisor pero funciona en dirección contraria. Sin embargo, una diferencia es la presencia de un amplificador de FI en el receptor. Este amplificador de FI tiene un circuito de control automático de ganancia Enlace terrestre vía microondas 91 Capitulo 3 SISTEMAS DE RADIO DE MICROONDAS CON FRECUENCIA MODULADA (AGC). También, con mucha frecuencia, no hay amplificadores de RF en el receptor. En el caso normal se usa un desmodulador balanceado de bajo ruido y sensible, como desmodulador de recepción. Así se elimina la necesidad de un amplificador de RF y se mejora la relación de señal a ruido. Cuando se requieren amplificadores de RF, se usan de alta calidad y de bajo ruido, de low-noise amplifier). Como ejemplos de LNA que se usan con frecuencia están los diodos de efecto túnel y los amplificadores paramétricos. Enlace terrestre vía microondas 92 Capitulo 3 SISTEMAS DE RADIO DE MICROONDAS CON FRECUENCIA MODULADA Convertidor elevador FI RF Líneas VF al canal auxiliar Entrada de FI Conmutador de protección Amp FI Amp compresión Transmod Amp potencia y BPF Red Aislador Salida de RF combinadora de canales Al canal de protección Generador de microondas De otros canales (a) FI Convertidor descendente s RF Líneas VF de canales auxiliares Entrada de FI Conmutador de protección Amp FI y AGC Mod receptor Red BPF Entrada de RF separadora de canales Al canal de protección Generador de microondas A otros canales (b) Figura 3.11 Estación terminal de microondas: (a) transmisor; (b) receptor Enlace terrestre vía microondas 93 Capitulo 3 SISTEMAS DE RADIO DE MICROONDAS CON FRECUENCIA MODULADA 6000 MHz 6180 MHz RF Convertidor descendente Convertidor elevador FI RF 70 MHz BPF Mod. recepción Red de Amp FI/AGC e igualadores Transmod BPF y Amp. potencia Aislador Red de separación 6110 MHz separación 5930 MHz de canales de canales BPF Oscilador de desplazamiento 180 MHz Mod. de desplazamiento Generador de microondas 5930 MHz A otras repetidora s De otras repetidora s Figura 3.12 Estación repetidora FI de microondas Enlace terrestre vía microondas 94 Capitulo 3 SISTEMAS DE RADIO DE MICROONDAS DE FRECUENCIA MODULADA Estación repetidora La figura 3.12 muestra el diagrama de bloques de una repetidora de FI de microondas. LA señal de RF recibida entra al receptor a través de la red de separación de canales y el filtro pasabandas. El desmodulador de recepción convierte la portadora de RF, bajándola a FI. Los circuitos AMP/AGC y el igualador de FI amplifican y reconforman la señal de FI. El igualador compensa las no linealidades de ganancia en función de frecuencia y la distorsión por retardo de envolvente que se introducen en el sistema. De nuevo, el modulador de transmisión convierte la IF en RF para su retransmisión. Sin embargo, en una estación repetidora es un poco distinto al método que se usa para generar las frecuencias de portadora de microondas RF, respecto al que se usa en una estación terminal. En la repetidora de FI sólo se requiere un generador de microondas para suministrar la señal de portadora de RF, tanto al modulador de transmisión como al de recepción. El generador de microondas, el oscilador de desplazamiento y el modulador de desplazamiento permiten que la repetidora reciba una frecuencia de portadora RF, le baje la frecuencia a una FI, para después convertir la FI a una portadora RF de distinta frecuencia Es posible que la estación C reciba las portadoras tanto de la estación A como la B en forma simultanea (a esto se le llama interferencia por salto múltiple, y se muestra en la figura 3.13a). Esto puede suceder solo cuando tres estaciones están instaladas en una recta geográfica en el sistema. Para evitar que ocurra, el ancho de banda asignado al sistema se divide a la mitad, y se crea una banda de baja frecuencia y una de alta frecuencia. Cada estación, una a la vez, pasa de una portadora de transmisión de banda baja a una de banda alta (figura 3.13b). Si se recibe en la estación C una transmisión de la estación A, será rechazada en la red separadora de canales y no causa interferencia. A este arreglo se le llama sistema de repetidoras de microondas alta/baja. Las reglas son sencillas: si una estación repetidora recibe una portadora de RF de la banda baja, retransmite una portadora de RF en la banda alta, y viceversa. La única vez que se pueden recibir varias portadoras de la misma frecuencia es cuando se recibe una transmisión de una estación, en otra que este a tres saltos de distancia. Casi no es probable que suceda eso. Otra razón para usar un esquema de frecuencia alta/baja es evitar la potencia “que se Enlace terrestre vía microondas 95 Capitulo 3 SISTEMAS DE RADIO DE MICROONDAS DE FRECUENCIA MODULADA sale" por las partes trasera y laterales de una antena de transmisión, que puede interferir con las señal que entre a una antena receptora cercana. A esto se le llama radiación de perdida. Todas las antenas, sin importar lo alto de su ganancia o su gran direccionalidad de radiación, irradia un pequeño porcentaje pequeño porcentaje de su potencia por sus lados trasero y laterales, determina una eficiencia direccional de la antena. Aunque la eficiencia direccional de una antena típica de microondas es bastante alta, la cantidad relativamente baja de la potencia que se irradia por su parte trasera puede ser bastante apreciable, en comparación con la potencia de la portadora normal recibida en el sistema. Si son distintas las frecuencias de transmisión y recepción, los filtros de la red separadora del receptor evitan que perjudique la radiación de pérdida. La figura 3.12 sirve para ejemplificar el seguimiento de cómo se va modificando la frecuencia RF de portadora recibida. Esta es de 6180 MHz, y la frecuncia RF de portadora transmitida es 6000 MHz. La FI es de 70 MHz, la frecuencia del generador de microondas es de 5930 MHz, y la del oscilador de desplazamiento es 180 MHz. Con estas condiciones, el filtro de salida del modulador de desplazamiento se debe sintonizar a 6110 MHz. Es la suma de las frecuencias del generador de microondas y del oscilador de desplazamiento: 5930 MHz + 180 MHz = 6110 MHz. f1 f1 A Rx Tx f1 B Rx Tx f1 C Rx Tx f1 (a) f2 f1 A Rx Tx f2 f1 B Rx Tx f1 C Rx Tx f1 (b) Figura 3.13 (a) Interferencia por salto multiple; (b) sistema de microondas alta/baja Una estación repetidora de microondas (figura 3.13b) necesita dos fuentes de microondas portadoras para los procesos de conversión de bajada y de subida de Enlace terrestre vía microondas 96 Capitulo 3 SISTEMAS DE RADIO DE MICROONDAS DE FRECUENCIA MODULADA frecuencia. Mas que usar dos generadores de microondas, un solo generador con un oscilador de desplazamiento, un modulador de desplazamiento y un filtro pasabandas pueden generar las dos señales necesarias. Una salida del generador de microondas se alimenta en forma directa al modulador de transmisión, y otra salida del mismo generador se mezcla con la señal del oscilador de desplazamiento, en el modulador de desplazamiento, para producir una segunda frecuencia portadora de microondas. La segunda frecuencia se desplaza de la primera por la frecuencia del oscilador de desplazamiento. La segunda frecuencia de portadora de microondas se alimenta al modulador de recepción. Este proceso no reduce la cantidad de osciladores que se requieren, pero es mas sencillo y menos costoso fabricar un generador de microondas y un oscilador de desplazamiento de frecuencia relativamente baja, que fabricar dos generadores de microondas. Este arreglo también proporciona cierto grado de sincronización entre repetidoras. La desventaja obvia obvia del esquema alta/baja es que se reduce a la mitad los canales disponibles eb determinado ancho de banda. La figura 3.14 muestra un plan de frecuencia alta/baja con ocho canales: cuatro de banda alta y cuatro de banda baja. Cada canal ocupa un ancho de banda de 29.7 MHz. La terminal oeste transmite las frecuencias de banda baja, y recibe las de banda alta. Los canales 1 y 3 (figura 3.14a) se llaman canales V. Esto quiere decir que se propagan con polarización vertical. Los canales 2 y 4 se designan por H, por ser canales horizontalmente polarizados. Este no es un sistema de diversidad por polarización. Los canales 1 a 4 son totalmente independientes entre si; conducen información en banda base diferente. La transmisión de portadoras polarizadas ortogonalmente (defasadas 90 grados) aumenta todavía más el aislamiento entre las señales de trasmisión y recepción. En la dirección de oeste a este, la repetidora recibe las frecuencias de banda baja y trasmite en banda alta. Después de recibir el canal 1 y convertirlo a FI, se convierte de subida a una frecuencia RF distinta, y con diferente polarización, para su retransmisión. El canal 1 de banda baja corresponde al canal 11 de banda alta, el 2 al canal 12, etcétera. La dirección este a oeste (figura 3.14b) propaga las portadoras de banda alta y baja en el orden contrario al del sistema de oeste a este. También están invertidas las polarizaciones. Si algo de la potencia del canal 1 de la terminal oeste se propagara en forma directa hacia el receptor de la terminal este, tendría distinta frecuencia y polarización que las trasmisiones Enlace terrestre vía microondas 97 Capitulo 3 SISTEMAS DE RADIO DE MICROONDAS DE FRECUENCIA MODULADA del canal 11. En consecuencia no interferiría con la recepción del canal 11; no habría interferencia por salto múltiple. También, nótese que ninguno de los canales de trasmisión o de recepción en la repetidora tiene igual frecuencia y polarización al mismo tiempo. En consecuencia, la interferencia de los trasmisores hacia los receptores, debida a la radiación de perdida, es insignificante. Enlace terrestre vía microondas 98 Capitulo 3 SISTEMAS DE RADIO DE MICROONDAS DE FRECUENCIA MODULADA Todas las frecuencias son en MHz Figura 3.14 Plan de frecuencias alta/baja con 8 canales: (a) oeste a este; (continua) Enlace terrestre vía microondas 99 Capitulo 3 SISTEMAS DE RADIO DE MICROONDAS DE FRECUENCIA MODULADA Todas las frecuencias son en MHz Figura 3.14 (continuación) (b) este a oeste Enlace terrestre vía microondas 100 Capitulo 3 SISTEMAS DE RADIO DE MICROONDAS DE FRECUENCIA MODULADA Las trayectorias de propagación normales entre dos antenas de radio en un sistema de microondas se ven en la figura 3.15. La trayectoria en espacio libre es la trayectoria de línea de vista, directamente entre las antenas transmisora y receptora (también se llama onda directa). La onda reflejada en tierra es la porción de la señal transmitida que se refleja en la superficie terrestre y la captura la antena receptora. La onda superficial consiste en los campos eléctrico y magnético asociados con las corrientes inducidas en la superficie terrestre. La magnitud de la onda superficial depende de las características de la superficie terrestre y de la polarización electromagnética de la onda. La suma de esas tres trayectorias, tomando en cuenta su amplitud y su fase, se llama onda terrestre. La onda reflejada u onda celeste es la parte de la señal transmitida que regresa (se refleja) hacia la superficie terrestre, debido a las capas ionizadas de la atmósfera terrestre. Todas las trayectorias de la figura 3.15 existen en cualquier sistema de radio de microondas, pero algunas son despreciables en ciertos intervalos de frecuencia. En frecuencias menores que 1.5 MHz, la onda superficial proporciona la cobertura primaria, y la onda celeste contribuye a aumentar esta cobertura por las noches, cuando es mínima la absorción de la ionosfera. En frecuencias mayores que unos 30 a 50 MHz, por lo general las trayectorias de importancia son las de espacio libre y de reflejo en tierra. A esas frecuencias también se puede despreciar la onda superficial, siempre y cuando las alturas de las antenas no sean muy pequeñas. La onda reflejada es sólo una fuente de interferencia ocasional de larga distancia, y no es una señal confiable para fines de comunicaciones por microondas. En este capítulo se desprecian las propagaciones superficial y reflejada, y se centra la atención en los fenómenos que afectan a las ondas directas y reflejadas. Enlace terrestre vía microondas 101 Capitulo 3 SISTEMAS DE RADIO DE MICROONDAS DE FRECUENCIA MODULADA Atmosfera ionizada Onda reflejada en el cielo Trayectoria en espacio libre (visual) Onda espacial directa Onda reflejada en tierra Onda superficial Figura 3.15 Trayectorias de propagación Conclusiones. Habiendo optado que en un caso particular, las microondas son la mejor opción queda aun decidirse por un método de modulación que en este caso se ha decidido considerar el método por frecuencia modulada ya que es un sistema con notables ventajas respecto a otras modulaciones como la AM principalmente. El efecto de la modulación de frecuencia ha sido estudiado en cada parte del sistema teórico a bloques dando la capacidad de una mejor comprensión de los dispositivos reales que se emplean en un radioenlace los cuales se estudiaran en el siguiente capitulo. Enlace terrestre vía microondas 102 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE CAPITULO 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE Objetivo : Comprender el funcionamiento y aplicación de las líneas de transmisión al igual que los repetidores de microondas y los tipos de antenas que se utilizan en los enlaces vía microondas. Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 103 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE Introducción. Este capitulo presenta las consideraciones indispensables para el diseño de líneas de transmisión a frecuencias milimétricas. Se describe un procedimiento para determinar las perdidas en líneas de transmisión, obtenibles directamente de mediciones experimentales, así como una comparación analítica de líneas de transmisión ideales a estas frecuencias. La última parte de este tema contiene una breve introducción a la tecnología usada para la fabricación de circuitos pasivos para ondas milimétricas, así como líneas de transmisión que han sido fabricadas. Se hace mención de diversas herramientas de software comercialmente disponibles para el diseñador moderno de circuitos de microondas. Además se dan las bases necesarias para la comprensión de los repetidores de microondas que son, para que sirven y que tipos de repetidores existen, en la ultima parte se mencionan los diferentes tipos de antenas de microondas que existen, sus características y funcionamiento. LÍNEAS DE TRANSMISIÓN El término de microondas se usa para describir ondas electromagnéticas en el intervalo de frecuencias de 300 MHz a 300 GHz, por que su longitud de honda va de 10mm a 1mm. Las líneas de transmisión a frecuencia milimétricas requieren bajas perdidas y baja dispersión. Las perdidas dependen de los materiales usados en su fabricación y se refieren a la conductividad de los materiales, la tangente de perdida de los dieléctricos y la resistividad. Las perdidas dependen de las propiedades mencionadas y de la distribución del campo electromagnético dentro de la línea de transmisión. La mayoría de los sistemas de comunicación llevan información en grupos de frecuencias, en banda base o radiofrecuencia, por lo que es de suma importancia que todas las frecuencias en el punto de recepción sean una versión retratada de las frecuencias transmitidas, lo cual implica que todas las componentes del espectro de la señal sean transmitidas con la misma velocidad de fase. Ese no siempre es el caso; así, cuando la Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 104 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE velocidad de fase es función de la frecuencia, entonces se dice que la línea de transmisión es dispersiva, debido a que la señal en el punto de recepción será una versión dispersa en el tiempo de la versión transmitida. Las líneas de transmisión de al menos dos conductores tienden a ser las que tienen menor dispersión, debido a que propagan un modo transversal electromagnético [TEM o quasi-TEM]; sin embargo la propagación electromagnética a través de varios materiales dieléctricos con distintas constantes dieléctricas, también tienden a hacer a la línea de transmisión dispersiva. Las guías de onda ilustradas en la figura 4.1, consisten en tubos de metal hueco, las cuales han sido usadas extensivamente en los comienzos de la ingeniería de microondas y tienen claras desventajas; que son: peso, costo, tamaño, un ancho de banda limitado y son dispersivas, ya que consisten de un solo conductor. Las guías de onda siguen siendo importantes en sistemas que requieren de alta potencia. En los últimos diez años la tecnología de líneas de transmisión a frecuencias milimétricas, ha sido enfocada a diseños de bajo costo y tamaño reducido. Ejemplos de líneas de transmisión propuestas con aplicaciones en comunicaciones inalámbricas, a frecuencias milimétricas, serán ilustrados posteriormente en este capitulo. a) b) Figura 4.1 Guías de onda. (a) Circular (b) Rectangular Método para determinar las pérdidas, directo de mediciones experimentales. Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 105 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE En esta sección se presenta un método para calcular las pérdidas en líneas de transmisión, resonadores o cavidades de microondas. Este método es general, las pérdidas se calculan a partir de los parámetros de transmisión y reflexión en circuitos de microondas, conocidos como “parámetros S”, los que pueden medirse con cualquier analizador de redes de microondas. El método consiste en encontrar el factor de calidad, no cargado Q0 , de un resonador (ver figura 4.2). Un resonador típico es una sección de líneas de transmisión o cavidad de longitud λ/2, en donde λ es la longitud de onda de la microonda, de acuerdo a la línea de transmisión. En este método, las pérdidas se calculan a partir de las mediciones del factor de calidad cargado Q p el cual se obtiene directamente por el equipo de medición. Q0 es una medida de las pérdidas de la cavidad o resonador de microondas y es definido de la siguiente manera QO0 energia alm acenadaen el resonador perdidasdel resonador (4.1) Figura 4.2.Resonadores de microondas (a) Cavidad resonante, (b) Resonador de microcinta En donde la expresión es evaluada a la frecuencia resonante ωo. El factor de calidad externo Qe , se relaciona como la intensidad de acoplamiento entre la cavidad o resonador y el circuito externo, que sirve para alimentar el circuito (ver figura 4.2a). El circuito externo de la figura 4.2b está representado por las líneas de transmisión que alimentan el circuito Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 106 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE directamente de los puertos en donde se conectará el analizador de redes de microondas. Qe se define de la siguiente manera. QO 0 energia alm acenadaen el resonador pérdidasen el circuito externo (4.2) A su vez, el factor de calidad cargado, Qt es definido como. Qt 0 energia alm acenadaen el resonador pérdidastotales (4.3) Los tres factores de calidad definidos anteriormente están relacionados de la siguiente manera: 1 1 1 Ql Qe Q0 (4.4) Las pérdidas en el circuito resonante pueden ser: perdidas por conductor Qc , pérdidas por dieléctricos Qd , pérdidas por radiación Qr , o pérdidas por dieléctricos con resistividad finita, como es el caso de los semiconductores Qk . Entonces Q0 para el circuito resonante es el resultado de sumar todas las pérdidas presentes, resultando en la siguiente expresión. 1 1 1 1 1 Qo Qc Qd Q r Qk (4.5) Una medición típica, medida con un analizador de redes de microondas, por ejemplo, para el resonador de la figura 2b, en donde se ha medido el parámetro S de transmisión, o S21, se ilustra en la figura 4.3, en la cual, IL es la pérdida de inserción y BW3dB es el ancho de banda tomado a 3 decibeles. Directamente de la medición, el factor de calidad cargado se calcula de la siguiente manera: Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 107 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE Q1 f0 f0 BW3dB f 2 f1 (4.6) Mag (dB) 0 IL IL – 3dB S21 BW3dB ƒ1 ƒ0 ƒ2 f Figura 4.3. Respuesta típica en frecuencia de un resonador de microondas. Ahora el factor de calidad no cargado Q0 se extracta con la siguiente expresión. Q0 Q1 S 21 (4.7) | | En donde S21 es el valor absoluto de la magnitud de resonante ƒ0 (ver figura 3), y está dado por: S21 a la frecuencia IL S 21 1020 (4.8) Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 108 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE De esta manera, Q0 indica el grado de pérdidas en el resonador y sirve para extraer una medida del desempeño de los materiales usados y el diseño de una línea de transmisión. Cuando se diseña el resonador, es deseado que IL > -20 dB, de manera que Q0 Ql. Comparación analítica de líneas de transmisión ideales para ondas milimétricas. Idealmente, una línea de transmisión de baja pérdida y baja dispersión para ondas milimétricas es una línea de transmisión que tiene aire como medio de propagación, para evitar pérdidas por dieléctricos, además de tener un medio uniforme de propagación para evitar la dispersión. Esta línea de transmisión ideal, también será totalmente encerrada por un conductor, para evitar las pérdidas por radiación. A continuación, se muestra una comparación analítica de cuatro líneas de transmisión de muy buen desempeño a frecuencias milimétricas. Consideramos las cuatro líneas de transmisión de la figura 4.4. La impedancia característica de las líneas de transmisión de la figura 4.4 dependerá de las dimensiones finales y de la separación entre los conductores. La expresión para calcular la impedancia, para cada caso, se podrá encontrar en las referencias proporcionadas para el cálculo de la constante de atenuación por conductor, αc, en nepers por unidad de longitud, dadas en el resto de esta sección. La constante de atenuación por pérdidas de conductor para el coaxial redondo de la figura 4.4a, puede calcularse con la siguiente expresión. Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 109 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE Figura 4.4. Sección transversal, de líneas de transmisión a frecuencias milimétricas (a) Coaxial, redondo, (b) Coaxial cuadrado, (c) Microcinta, (d) Lineastrip. b a ac 1.5657 b Rs 0b ln a r 1 (4.9) En donde Rs es la resistencia de superficie del conductor, λ0 es la longitud de onda a la frecuencia de operación, εr es la permitividad relativa del medio de propagación, y σ es la conductividad del conductor. La constante de atenuación por pérdidas de conductor del coaxial cuadrado de la figura 4b, puede calcularse con las siguientes expresiones: c 47.09Rs b w 1 0 Z0 w 0.2794b 0.7206w2 (4.10) Cuando b/w < 2.5 c 59.37Rs b 1 1 0 Z 0 w b (4.11) Cuando2.5 < b/w < 4 c 59.96Rs b 1 1 0 Z 0 w b (4.12) Cuando b/w > 4 En donde η0 es la impedancia de espacio libre y Zo es la impedancia característica de la línea de transmisión. Para la microcinta en la figura 4.4c, α c puede ser calculado con las siguientes formulas: Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 110 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE C Rs wZ 0 Finalmente, para la línea stripline de la figura 4.4d, (4.13) αc puede se calculado con las siguientes fórmulas. c 2.7 x103 Rs r Z0 A 30 b t (4.14) Para Z0 r 120 c 0.16Rs B bZ0 (4.15) Para Z0 r 120 en donde, A 1 2W 1 b t 2b t ln bt bt t b 0.414t 1 4W B 1 ln 0.5 W 2 t 0.5W 0.7t (4.16) (4.17) Para comparar el desempeño de las líneas de transmisión de la figura 4.4, se ha comparado la constante de atenuación contra el área de las distintas líneas de transmisión (ver figura 4.5a); el área considerando líneas de transmisión de 50 Ohm, comparadas a 50 GHz. Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 111 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE Figura 4.5. Comparación de diversas líneas de transmisión de 50 Ohm a 50 GHz. (a) Constante de atenuación, α vs área. (b) Qo vs área. El factor de calidad no cargado, Q0 definido en la sección anterior para un resonador de λ/2, puede ser obtenido mediante la siguiente expresión: Q0 2 (4.18) En donde β es la contante de propagación, y es definida como β=2 π/ λ. En La figura 5b se muestran los resultados para Q0 en relación con el área de las líneas de transmisión. Los resultados de la figura 4.5 indican que las líneas de transmisión con menos perdidas por área considerada con las líneas coaxiales. La línea coaxial redonda tiene una distribución de corriente más uniforme en los conductores a comparación de la línea coaxial cuadrada. Sin embargo, la línea coaxial cuadrada presenta la oportunidad de ser fabricada Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 112 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE en capas, facilitando su construcción. En la siguiente sección se ilustra un coaxial cuadrado fabricado en 5 capas. Tecnología de fabricación y estructura de líneas de transmisión para frecuencias milimétricas. Conforme se incrementa la frecuencia de diseño en circuitos de microondas, las dimensiones del circuito se reducen de manera inversamente proporcional a la frecuencia; también, la resistencia de superficie del conductor, aumenta en forma aproximadamente proporcional a la raíz cuadrada de la frecuencia. A frecuencias milimétricas, las tolerancias alcanzables en métodos de fabricación son de suma importancia. Se usa la tecnología de micro-maquinado o microtecnología, en la cual se emplean materiales con propiedades mecánicas adecuadas para la microfabricación. A continuación, se muestran distintas líneas de transmisión propuestas, así como una breve descripción del desempeño, dimensiones y de los materiales usados en cada una. Las perdidas, en los siguientes ejemplos, serán dadas como el factor de calidad no cargado de un resonador de λ/2 a la frecuencia indicada para cada caso, excepto la estructura de la figura 4.12, la cual será considerada de manera distinta debido a su naturaleza fisica. El silicio es un material que presenta propiedades mecánicas muy adecuadas para el micro-maquinado y ha sido ampliamente explotado en líneas de transmisión de bajas pérdidas (ver figuras 4.6, 4.7 y 4.8). Aquí es muy importante la resistividad del silicio cuando se involucra como medio de propagación; el silicio de baja resistividad, (por ejemplo de 10 Ohm x cm) tiene muchas pérdidas y aún no se ha podido utilizar de manera efectiva en circuitos de microondas; sin embargo, el silito de alta resistividad (por ejemplo de 1000 Ohm) presenta bajas pérdidas pero un alto costo del material. Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 113 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE Figura 4.6 Microcinta invertida Figura 4.7 Línea de transmisión coplanar Figura 4.8 Microcinta sobre membrana En al figura 4.6 se muestra una línea de transmisión hecha en silicio. Esta línea es llamada microcinta invertida debido a que tiene como medio de propagación principal el aire que está entre el dieléctrico y el conductor de tierra. El dieléctrico usado es BCB (Benzocyclobuteno), el cuál sirve para reducir las pérdidas en la línea de transmisión, al evitar el contacto directo del conductor central con el silicio. Esta línea de transmisión presento un factor de calidad no-recargado de Q0 = 60, para el caso 1, en el cual hay una capa de silicio se usó el BCB de dieléctrico, ambas líneas consideradas a 40 GHz.. La estructura de la figura 4.7 ha sido ampliamente usada y ha mostrado un muy buen desempeño a frecuencias milimétricas; esto es por que el medio de propagación empleado es aire, evitándose así perdidas por dieléctricos. Además la estructura está totalmente encerrada, evitando pérdidas por radiación. El silicio que está en contacto con la microonda es de alta resistividad, manteniendo pérdidas el mínimo en esa región; de acuerdo al diseño, el campo electromagnético está menos concentrado en esta región. Esta estructura presenta un Q0 = 450, a 600 GHz. El conductor del centro está suspendido en una membrana. Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 114 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE Las líneas coplanares tienen el campo electromagnético fuertemente concentrado entre los conductores; en la figura 4.8 se muestra una línea coplanar micro-maquinada, de manera que el material entre los conductores es removido, para reducir la dispersión y para minimizar las pérdidas por el semiconductor. Como resultado, la línea presenta menores pérdidas por conductor y dieléctrico, y tienen un Q0 = 47.La misma línea de transmisión, sin el micro-maquinado, tiene un Q0 = 33; ambas consideradas a 60 GHz. La estructura de la figura 4.9 tiene forma similar a la figura 4.7, pero aquí se ha usado una resina fotosensitiva, SU-8, en lugar del silicio, la cual tiene menor costo; además, se emplean métodos de fabricación más sencillos que los usados con el silicio. Esta línea de transmisión tiene un Q0 = 130 a 29 GHz. Figura 4.9.Microcinta sobre membrana. En la figura 4.10 la línea coplanar mostrada está hecha sobre una membrana de SU-8. Aquí se emplea vidrio como substracto para su fabricación y luego se remueve. Esta línea tiene un Q0 = 120 cuando la estructura esta totalmente encerrada por un conductor, y un Q0=60 cuando está sin encerrar, ambas líneas son consideradas en la banda W (aproximadamente de 75-110 GHz). Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 115 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE Figura 4.10. Línea de transmisión coplanar sobre membrana. La línea de transmisión coplanar de la figura 4.11 usa la tecnología de micro-maquinado para elevar el conductor central de la línea, y asi reducir las pérdidas por conductor y dieléctrico; asimismo presenta un Q0 = 36 a 50 GHz. Figura 4.11. Línea de transmisión coplanar. La estructura propuesta en la figura 4.12 es un coaxial suspendido en aire. Para poder suspender en centro del coaxial, en el diseño de la línea de transmisión, o circuito de microondas, se incluyen secciones de líneas de transmisión en corto circuito desde el conductor interno del cable coaxial hacia el externo. Esta estructura ha sido propuesta y estudiada intensivamente en Llamas (Agosto-2003), en donde se han diseñado y fabricado líneas de transmisión suspendidas y filtros de microondas de esta estructura coaxial, maquinados con láser a altas frecuencias y maquinado convencional a bajas frecuencias. Esta línea de transmisión presenta un Q0 = 750, calculado a partir de un resonador de un cuarto de longitud de onda en corto a 29.75 GHz. Una manera de fabricar esta línea consiste en usar SU-8 para hacer un molde removible y después, con tecnología de electroformado, producir las capas del conductor que forman el coaxial; además, este método de fabricación presenta la oportunidad de usar metales de mayor conductividad que el oro, Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 116 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE como son el cobre y la plata. El uso de SU-8 permite la fabricación de estructuras más complejas a comparación de las realizables en silicio. Figura 4.12. Línea coaxial suspendida. Software en el diseño de circuitos de microondas. Las herramientas de software son sumamente importantes en el diseño de circuitos de microondas pues proporcionan al diseñador los medios para crear prototipos, los cuales posteriormente pueden ser fabricados y medidos en e laboratorio. Estas herramientas pueden ser desde el software para matemáticas común, como el Mathcad o Matlab hasta el software de dibujo, como El Autocad, Solidworkz o 3D Studio max. Para diseñar prototipos de circuitos de microondas existen simuladores electromagnéticos comercialmente disponibles. Estos simuladores se dividen en dos categorías. En primer lugar, los que sirven para hacer simulaciones planas; esto es, simulaciones de circuitos de microondas que se componen de capas planas encimadas, como es la microcinta o la línea coplanar. Ejemplos de estos son 1) Sonnet software, 2) HPEEsof, Momentum, 3) Applied wave research, microwave Office, 4) Cansen Microwave, Unisym/Sfpmic, 5) AESOFT, Ensemble. Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 117 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE En segundo lugar, el otro tipo de simulador electromagnético comprende los que sirven para simular circuitos en 3D, como pueden ser las guías de onda o cables coaxiales, los que también sirven para simular circuitos planos. Ejemplos de estos simuladores son: 1) AESOFT, HFSS, 2) Zeland Software, IE3D, 3) QWED s.c., Quick Wave 3D, 4) CTS Microwave Studio. ESTACIONES TERMINALES Y REPETIDORAS. Existen dos tipos principales de transmisores terminales para microondas con modulación en frecuencia. 1.- Este tipo de transmisor, emplea un oscilador al cuál se le puede modular en frecuencia en forma directa, aplicándose la banda base. Un dispositivo que opera en la gama de las SHF y cumple con este requisito, es el Klistron. La figura 4.13a muestra un diagrama a bloques de un transmisor Terminal con modulación directa. 2.- Otro tipo de transmisor de una estación Terminal, es el que se presenta mediante un diagrama a bloques en la figura 4.13b, el cual consta de un oscilador que genera una F1 (generalmente 70 MHz), la cual se modula en frecuencia por la banda base. La portadora de F1, se traslada a la frecuencia de operación mediante una conversión de frecuencia, llevada a cabo en el conversor, con la participación de las señales f y F.I. Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 118 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE Ampli. de microondas Oscilador FM Amplificador de RF Banda básica RF Transmisor Terminal con oscilación de RF modulada en frecuencia. (4.13a) Ampli. de modulación Oscilador FM Conversor de Frecu. Ampli. de RF fif Banda f1 básica Oscilador de RF f = f1 + fif RF Transmisor Terminal con oscilador de F1 modulada en frecuencia (4.13b) Conversor de frecuencia Ampl. F1 limitador discriminador amplificado de la modulación banda básica f2 fif Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 119 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE AGC OSCILADOR DE RF RF f = f2 + f1 Receptor Terminal. Figura 4.13,. Diagrama a bloques de un receptor Terminal de microondas. La señal f se genera en un oscilador que se denomina de radio frecuencia (RF). Generalmente se utiliza un amplificador de RF entre el oscilador de FM y la antena, con el propósito de proporcionar una alta potencia de salida y de aislar el oscilador de las reflexiones que provoca el alimentador de la antena. Los receptores terminales son del tipo superheterodino con un oscilador local estabilizado en frecuencia. La figura 4.13 ilustra un diagrama a bloques de un receptor terminal de microondas. Estaciones repetidoras de microondas. Las estaciones repetidoras que se colocan en los puntos intermedios de un enlace, se clasifican en los siguientes tipos: a) Repetidor Heterodino. b) Repetidor por Detección. c) Repetidor Directo. Equipos Transceptores. Los equipos transmisores-receptores que integran un enlace de microondas, se clasifican en estaciones terminales y repetidoras. Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 120 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE Un equipo repetidor amplifica las señales débiles, que detecta la antena receptora, a un nivel de potencia lo suficientemente grande para retransmitirlas hacia la estación adyacente. En este caso, el ruido y distorsión que se producen en las señales al pasar por el repetidor, deben mantenerse a ciertos valores permisibles. Repetidor Heterodino. En este tipo de repetidor las frecuencias de microondas recibidas son trasladadas a frecuencias intermedias, amplificadas por etapas de frecuencia intermedia hasta el nivel requerido y trasladadas de nuevo a frecuencias de microondas para su emisión. Para ello, el repetidor de esta tipo está provisto de dos conversiones de frecuencia. Es menester que se elija la frecuencia intermedia de tal manera que las frecuencias de video y de oscilación local no causen gran interferencia a otros canales de radio. Según los planes de asignación de frecuencias generalmente adoptados, la frecuencia está comprendida dentro de la banda de seguridad de las frecuencias asignadas, y la frecuencia de oscilación local se sitúa en el extremo de la banda de paso. Un ejemplo, de lo antes mencionado puede expresarse por la fórmula siguiente: f If f 2n 1 / 4 (4.19) Donde: Δf n es la separación entre frecuencias de transmisión y recepción. es un número entero positivo. El valor de n está determinado por el factor de ruido de los circuitos empleados en los repetidores, la banda relativa y la ganancia. La mayoría de los sistemas modernos en servicio adoptan 70 MHz. Para la f.I. En la figura 4.14 se ilustra el diagrama esquemático fundamental de un repetidor heterodino. Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 121 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE Como puede observarse, la señal fR que entra en el equipo vía la antena y el filtro de derivación, pasa primero por el filtro de paso de banda, que sirve para evitar la recepción de señales no deseables y la fuga de señales de oscilación local. En el mezclador de recepción la señal de fR es mezclada con la frecuencia de oscilación local fRL y convertida en la frecuencia intermedia fIF. La señal de f.I. entra en el mezclador de transmisión, después de ser amplificada por el preamplificador de f.I., el amplificador principal de f.I. y el amplificador de f.I posterior. El citado preamplificador, es un circuito de bajo nivel de ruido. La señal de f.I. que entra al mezcladote de transmisión, es mezclada con la frecuencia de oscilación local fTL ,dando como resultado la frecuencia de transmisión f T lo cual pasa por el filtro de paso de banda (BPF), y es amplificada por el amplificador de tubo de onda progresiva (TWT) para obtener el nivel de potencia adecuado. La señal fT pasa a la antena de transmisión para su retransmisión a través del filtro de derivación B.F.. fR BF BPF fIF R MIX PIF MTF AGC LIF SQ OSC fRL BPF TWT BF fTL SQ R MIX fTL fs T MIX TLO OSC S OSC BPF . Filtro de paso de banda BF. Filtro de derivación R.MI Mezclador de recepción T.MI Mezclador de transmisión PIF. Preamplificador MIF Amplificador principal de F.I. Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 122 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE LIF Amplificador de F.I. posterior SQ. Circuito de sileciamiento TLO OSC. Oscilador local de transmisión S OSC. Oscilador de frecuencias de desplazamiento. TWT Tubo de onda progresiva Figura 4.14 Esquema a bloques de un repetidor heterodino. Con fines de evitar variación de la potencia de causa de la fluctuación del campo eléctrico de recepción por desvanecimiento, el circuito esta provisto de control automático de ganancia, que regula la ganancia del amplificador principal de f.I. para que la potencia de salida de F.I. quede constante. En caso de caída del campo eléctrico de recepción por debajo del nivel de umbral, se irradian en la antena de transmisión ruidos de banda ancha, dando interferencias a los radioenlaces instalados en paralelo. En atención a ello, el circuito esta provisto de silenciamiento (squelch) que al caer la potencia de salida de f.I. por debajo de cierto nivel, desconecta el circuito de la etapa final del amplificador principal de f.I. para suprimir ruidos, y al mismo tiempo, excita el oscilador de silenciamiento (ondas sin modular de 70 MHz), evitándose en esta forma que el funcionamiento de los equipos instalados en las estaciones subsiguientes sea afectado adversamente. La señal de oscilación local de recepción se obtiene, por lo general, desplazando la señal de oscilación local “fs” entre las frecuencias de transmisión y recepción. Por consiguiente, la relación entre esas frecuencias de señal resulta como sigue: fR = fRL - fIF , fT = fTL - fIF , fRL = fTL + fs de las ecuaciones anteriores, se obtiene la siguiente relación: fR - fT = + fs Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 123 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE Esta última ecuación significa que la estabilidad de la frecuencia de transmisión está relacionada con el oscilador de frecuencia de desplazamiento y no tiene nada que ver con la frecuencia de oscilación local de transmisión. La separación entre la frecuencia de transmisión y la de recepción es normalmente de 40 a 500 MHz, dependiendo de la banda de frecuencias que se utilicen. Frecuencias estables de tal orden se obtienen fácilmente usando osciladores a cristal. Con el método de recepción heterodina, la estabilidad de la frecuencia de recepción en la estación terminal de recepción de un radioenlace depende solamente de la frecuencia de transmisión que emite la terminal de transmisión. Pero, la desviación de la frecuencia de oscilación local correspondiente a cada repetidor intermedio, si hay, se transforma en la desviación de la frecuencia intermedia, causando el deterioro de las características de transmisión. La confiabilidad del circuito de oscilación local está directamente relacionado con la del enlace en conjunto, y por lo tanto, es de gran importancia. Hay osciladores de los tipos siguientes. 1.- Oscilador a Klystron. 2.- Oscilador de tubo de onda progresiva (TWT ó TOP). 3.- Oscilador de cristal y multiplicador de frecuencia. 4.- Oscilador a transistores. El oscilador a Klystron es el mas común de todos, como oscilador de microondas y solía usarse inicialmente para receptores. Sin embargo, en vista de la desventaja de requerir muchos tubos de microondas y un circuito de control automático de frecuencia que hace la circuitería complicada, se ha utilizado el oscilador de tubo de onda progresiva. Este oscilador efectúa la amplificación simultánea de FT y FTL en aprovechamiento de las características de banda ancha inherentes al tubo de onda progresiva, sirviendo un solo tubo de onda progresiva para ambos fines de amplificación y oscilación. La figura 4.15 muestra el diagrama esquemático de un oscilador amplificador de tubo de onda progresiva (TOP). Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 124 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE El tubo TOP, con que se efectúa la amplificación simultánea de dos señales, necesita tener, como es natural, una potencia de salida de saturación grande. Si se requiere alta potencia de salida de transmisión, se hace grande su diferencia con respecto a la potencia de salida de oscilación. Por esta razón, resulta que la potencia de salida es cambiada considerablemente por la variación existente en el funcionamiento de amplificación, y en el peor de los casos es probable que se interrumpa la oscilación. En previsión de esto, está insertado un circuito no lineal en la vía de realimentación para estabilizar el funcionamiento de oscilación. T MIX BPF TWT BPF STD CAV BPF ATT PS Figura 4.15 Circuito común de oscilación y amplificación por tubos de onda progresiva (TWT) El repetidor heterodino ofrece las siguientes ventajas: a) Debido a que no se efectúa modulación-demodulación en cada punto de repetición, está exento de distorsión acumulativa en las características de transmisión que en otro tipo de repetidores tendrá lugar a causa del proceso de modulación-demodulación. Las características de transmisión que en otro tipo de repetidores tendrá lugar a causa del proceso de modulación-demodulación. Esto significa gran ventaja especialmente en el caso de la transmisión de televisión, que demanda por su naturaleza, derivación e inserción de señales en numerosos puntos. Además, resulta sencilla la configuración del circuito. b) Permite obtener máximo provecho de la particularidad de la transmisión de FM, que se caracteriza por poca variación de nivel. Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 125 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE c) Facilita la interconexión de distintos sistemas de transmisión, por ejemplo, entre los 4000 MHz. y 6000 MHz, con tal de que sean iguales sus respectivas bandas de frecuencias intermedias. En vista de las citadas ventajas; este sistema de repetición está en uso para los equipos repetidores de troncales básicos en casi todas las partes del mundo. En lo que respecta al método de suministro de frecuencias de oscilación local para la traslación de frecuencias, el sistema de repetición heterodino ha venido pasando diferentes etapas de desarrollo, tales como las que se detallan a continuación. El repetidor del sistema SF – IB japonés, empleaba un tubo klystron para la oscilación local como se observa en la figura 4.16, y parte de su potencia de salida, en unión con la potencia de salida del oscilador de cristal, se utilizaba para desviar la frecuencia de recepción en 40 MHz. Más este repetidor necesitaba un tubo de microondas para la oscilación local, y también un mecanismo de control automático de frecuencia para estabilizar la frecuencia de oscilación. Otro repetidor del sistema SF-B2, que siguió al anterior, adoptó el método común de oscilación y amplificación aprovechando las características de banda súper ancha de un tubo de onda progresiva, como se ilustra en la figura 4.17. Las característica más sobresaliente de este sistema radica en que el empleo del tubo de onda progresiva común para la oscilación y amplificación ha permitido omitirse el tubo de microondas y el complicado mecanismo de control automático de frecuencia. Esto fue un adelanto trascendental. Pero, le acompañaban por otro lado, varias desventajas, una de las cuales consistía en que la potencia del tubo de onda progresiva, que servia en común para la oscilación y la amplificación, tuvo que emplearse en su mayoría, para el proceso de oscilación, quedando en consecuencia insuficiente la potencia de amplificación. Más a pesar de ello, era atrayente la ventaja de oscilación por tubo de onda progresiva por separado para la oscilación y la amplificación de potencia. Recientemente se ha desarrollado otro sistema más avanzado gracias al adelanto de semiconductores. Según este sistema, la potencia de salida del oscilador de cristal es Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 126 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE amplificada a una frecuencia relativamente baja (varias decenas de MHz), y se obtienen las señales de oscilación local mediante la capacitancia variable que causa poca pérdida en la traslación. Este sistema se ilustra en la figura 4.16 . f1(f1 + 40 MHz) f1 70 MHz R MIX IFA TWT T MIX f1 + 70 MHz P A f1 + 70 MHz S MIX AFC OSC (Klystron) 40 MHz X – TAL OSC. Figura 4.16 Suministro de señales de oscilación local. f1 70 MHz TWT F1 (f2 + 40 MHz) R MIX IFA T MIX PA Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 127 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE STD CAV f1 + 70 MHz S MIX 40 MHz X TAL OSC. a) Figura 4.17 Suministro de señales de oscilación local. f1 70 MHz R MIX TWT IFA T MIX f1 + 70 MHz PA F1 + 70 MHz 40 MHz X TAL OSC. F1 40 MHz X TAL OSC. b) Figura 4.17 (continuación) Suministro de señales de oscilación local. Repetidor por detección. Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 128 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE Este sistema discrimina la señal de radio frecuencia al nivel de banda base, modulándola nuevamente para su retransmisión. Por esta razón el proceso de modulación y demodulación en cada punto de repetición origina deterioro acumulativo en las características de la señal de transmisión. A pesar de esto es un sistema de gran utilidad para enlaces telefónicos de corta distancia que enlazan ciudades pequeñas. Se pueden usar repetidores de un mismo tipo en las estaciones terminales como en las repetidoras intermedias, lo que facilita la derivación e inserción de circuitos. La figura 4.18 representa el diagrama esquemático de una estación repetidora por detección normal. f1 CONV 1 AMP 1 LIM DISC AMP BB CONV 2 AMP RF f2 OSC RF OSC RF F = F1 + F1 F = F2 + F1 Figura 4.18 Diagrama a bloques de un repetidor por detección. Repetidor directo. Este sistema amplifica las frecuencias de microondas directamente sin trasladarlas en otras bandas de frecuencia. La figura 4.19 representa el diagrama a cuadros de un repetidor de este tipo. Amplificador f1 TWT Amplificador bajo ruido TWT Conversor de frec. TWT Amplificador RF TWT f2 AGC Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 129 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE Osc fo = f2 – f1 Figura 4.19 Diagrama a bloques de un repetidor tipo directo. T MIX BPF TWT BPF STDCAV BPF STDCAV : PS : ATT : ATT PS Cavidad de referencia. Cambiador de fase. Atenuador variable. Figura 4.20 Circuito común de oscilación y amplificación por tubos de onda progresiva. Este tipo de repetidor emplea tres tubos TWT. La frecuencia de microondas de recepción es amplificada primero por el TWT de amplificación con bajo ruido y luego por el TWT de gran ganancia, después de pasar por el igualador de retardo. La salida del último TWT es convertida en una señal en frecuencia de microonda de transmisión por el conversor de diodo, y es amplificada finalmente por el TWT de amplificación de potencia, para dirigirse luego hacia la antena. Entre los circuitos componentes están insertados aisladores para evitar la producción de distorsión por retardo. El repetidor de éste tipo se destaca por sus excelentes características de banda ancha. Permite la transmisión de 1800 a 2400 canales telefónicos. El diagrama esquemático de este tipo de repetidor, se ilustra en la figura 4.21. fR fT fR BF BPF TWT EOL T W T2 BPF fT CON BPF TWT B F AGC AGC S f OSC TWT 1: TWT para amplificación con bajo ruido. TWT 2: TWT para amplificación con gran ganancia. TWT 3: TWT para amplificación de potencia. Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 130 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE CONV: Convertidor de frecuencia. Figura 4.21 Diagrama esquemático de un repetidor directo. El repetidor tiene también dos circuitos AGC: el que corresponde a la amplificación con bajo ruido el cual funciona de modo que la potencia de salida en transmisión permanezca constante de haber caído el nivel del campo eléctrico de recepción. Ambos circuitos AGC, controlan el voltaje de pantalla (rejilla) el tubo TWT mediante la variación en la potencia de salida de dicho tubo. Se hace notar que con amplificadores TWT en general, inclusive este repetidor directo, las componentes de AM que contenga la señal, al amplificarse son convertidas en componentes de PM. Está conversión de AM a PM ocurre debido a que las características de fase de salida de tubos TWT no son constantes, y el índice de conversión se aumenta cuando se amplifican señales de gran amplitud. Tal conversión de AM en PM tiene que ser suprimida a un mínimo, en vista de que las componentes de AM son remoduladas para transformarse directamente en ruidos. A este efecto está incluido el circuito AGC para el tubo TWT de amplificación con bajo ruido. Además, se suprimen las componentes de AM en la parte de entrada del tubo TWT de amplificación de potencia, utilizando el efecto de limitación del convertidor a diodo. Este tipo de repetidor se caracteriza por la siguientes ventajas: a) No requiere numerosos tubos de vacío para frecuencias bajas o para frecuencia intermedia. b) Las características de transmisión de señales quedan óptimas y estables. A pesar de dichas ventajas, se utiliza poco este tipo de repetidor, debido a la dificultad de interconexión con los repetidores de tipo heterodino existentes y de derivación e inserción de señales en las repetidoras. ANTENAS DE MICROONDAS. Fundamentos de las antenas de microondas. Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 131 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE En frecuencia de microondas, la longitud de onda es suficientemente pequeña para permitir formaciones de muchos elementos. Esto resulta en un ancho de banda angosto y alta ganancia. Posiblemente la antena de microondas más conocida es la unidad de radar que se usa y se ve en aeropuertos. Unidades similares se usan para predicciones atmosféricas. Ocasionalmente una antena de microondas está localizada en la parte superior de un edificio alto en el corazón de una zona de negocios. Antena Parabólica. La antena parabólica usa el mismo principio que el espejo parabólico. La antena se muestra en la figura 4.22. y‘ Plano de curvatura x’ a P Q b S c PF = PQ F d PF + PS = QS Eje e f Foco g Parábola x Directriz y Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 132 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE Figura 4.22 Antena Parabólica Las relaciones específicas de la parábola se resumen en la figura 4.22. La directriz es un plano imaginario desde el cual se originan los rayos de la señal de salida. El plano x – x’ es la abertura real o boca de la antena parabólica. Se llama el plano apertura. El plano y – y’ es un plano imaginario donde todos los rayos de salida están en fase. Cuando funciona como una antena receptora, las señales que llegan desde una fuente distante alcanzan la antena parabólica en un plano perpendicular al eje de la antena. La señal se refleja desde la superficie parabólica al foco (punto focal). El foco es la entrada física y eléctrica al receptor. En la práctica común se termina la guía de onda rectangular o circular (que transporta la señal recibida) en el casco o parábola de la antena. El casco se penetra por medio de un conector apropiado. El centro del conector se conecta a la antena isotrópica o dipolo que lleva a cabo la recepción de la señal. La antena parabólica, funcionando como un elemento transmisor, invierte la secuencia. La señal transmitida se provee al elemento en el punto foco y la antena parabólica envía la onda fuera de un haz agudo de rayos paralelos. El método de alimentar la señal del transmisor a la antena parabólica no es simple. Una fuente punto o antena dipolo origina transmisión en más de una dirección. La teoría de operación de una antena parabólica requiere que toda la energía transmitida sea reflejada por la superficie parabólica. Cualquier transmisión en adición a esta energía reflejada causa lóbulos laterales indeseados. En la práctica, se puede usar un pequeño dipolo con un reflector (figura 4.23a), o un reflector secundario hiperbólico (figura 4.23b), o una de las antenas direccionales de microondas. En cualquiera de los casos llega a ser evidente que la simetría hipotética de la señal parabólica debe distorsionarse ligeramente. El patrón de radiación de la fuente se llama patrón primario. La señal de salida es el patrón secundario (figura 4.23a). El patrón de radiación de la antena parabólica es altamente direccional. Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 133 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE La figura 4.24 muestra el patrón de radiación para una antena con un diámetro de boca de 12λ. Las amplitudes de los lóbulos menores se ha visto que son despreciables. En la práctica, hay una ligera diferencia en directividad entre planos vertical y horizontal. El patrón de campo de radiación se define por una función de Bessel. Reflector parabólico (Patrón secundario) Reflector estérico Guia de onda Foco Dipolo de fuente de señal en el foco (patrón primario) (a) Dipolo y reflector Hiperbóloide (b) Reflector secundario hiperboloide Figura 4.23. Métodos para alimentar una antena parabólica. 6° 6° Figura 4.24. Patrón de radiación de una antena parabólica. Una antena parabólica usada para unas señales muy débiles, tales como señales de radioastronomía, tiene la etapa de entrada al receptor localizada directamente en el punto foco. De hecho, el amplificador de entrada puede diseñarse con un sistema criogénico para bajo nivel de ruido. El ancho de haz del lóbulo principal entre puntos del primer nulo está definido por: o grados (°) D Donde Φ0 (4.20) = ancho de haz entre puntos de primer nulo, grados (°) λ = longitud de onda de espacio libre (cm) Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 134 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE D = diámetro de parábola, cm. El ancho del haz entre puntos de media-potencia se define por: 58 (4.21) D La ganancia de potencia de la antena parabólica, en coordinaciones ideales de operación, está dada por: D Ap 6 2 (4.22) Donde Ap = ganancia de potencia con respecto a un dipolo resonante de media onda. Hay muchas variaciones de antena parabólica básica que se usan comúnmente. Los tipos de antenas parabólicas limitan en patrón de radiación dentro de un plano muy angosto. Estas antenas tienen una curvatura parabólica sólo en un plano. Ofrecen un patrón de radiación agudo con limitación fuera del ángulo de diseño. En la figura 4.25 se muestran algunas antenas cilíndricas típicas. La antena parabólica puede ser de unos pocos centímetros en diámetro o físicamente tan grande como un edificio de 10 pisos. Siempre que sea factible, la antena se protege con una esfera no metálica contra condiciones climatológicas, que se ven usualmente en aeropuertos. Si la antena expuesta debe estar sujeta a vientos inmanejables, la superficie parabólica puede ser una construcción de malla o pantalla. Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 135 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE (a) Extremo abierto (b) Extremo cerrado (caja de píldoras) Figura 4.25. Antenas parabólicas cilíndricas. Antena exponencial (Trompeta o bocina). Otro tipo de antena de microondas es la antena exponencial (figura 4.26). Se concibe fácilmente como una guía de onda rectangular con el extremo de la carga ensanchado o abocinado. La señal transmitida recorre la longitud de la línea de transmisión rectangular y se acomoda fácilmente en la atmósfera con una discontinuidad mínima. Un servicio similar lo proporciona la guía de onda circular con una antena exponencial cónica (figura 4.26f). La antena exponencial puede ensancharse en el plano horizontal, en cuyo caso es una antena exponencial plano-sector H (figura 4.26b). Una unidad ensanchada en el plano vertical es una antena exponencial plano-sector E (figura 4.26c). Una antena exponencial ensanchada en ambos planos, horizontal y vertical, es una antena exponencial piramidal (figura 4.26d). Un caso especial de bocina rectangular puede tener el ensanchamiento curvado, en cuyo caso es una antena exponencial piramidal exponencialmente cónica (figura 4.26a). Guía de onda Apertura Garganta (a) Piramidal con exponencial (b) Sectorial plano H (e) Cónica con reducción exponencial (f) Cónica Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 136 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE (c) Sectorial plano E (g) Bicónica Cornetas circulares (d) Piramidal Cornetas rectangulares Figura 4.26. Antenas de corneta rectangulares o circulares. En una manera similar hay variaciones en la antena exponencial cónica. Estas incluyen las antenas exponencialmente cónica y bicónica (figura 4.25g). La directividad de la antena bocina no es tan alta como la de la antena parabólica. Obviamente la fabricación no es compleja y la conexión a la guía de onda es una cosa simple. Una guía de onda puede tener una ranura en el extremo o lado de radiación, que equivale a una modificación de una antena bocina, una antena sin longitud o ensanchamiento. La antena bicónica ofrece radiación omnidireccional en un plano perpendicular al plano de la antena. La longitud de una antena bocina debe ser del orden de 8 a 10 longitudes de onda para directividad efectiva. El ángulo de ensanchamiento en cada plano se relaciona a la longitud. La figura 4.27 muestra la longitud y el ángulo de ensanchamiento horizontal de una antena bocina piramidal, e identifica las dimensiones altura y ancho. El ancho de haz se expresa en términos de la apertura vertical y horizontal por: Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 137 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE l l D 7 .5 w h (4.24) grados (°) Donde: D = ancho de haz de bocina piramidal, grados (°) lw = longitud de apertura en el plano horizontal, centímetros. lh = longitud de apertura en el plano vertical, centímetros. La ganancia de potencia sobre un dipolo está dada por AP 4.5 lw lh (4.25) L lh φ lw Figura 4.27. Dimensiones de la antena corneta piramidal. Se pueden derivar soluciones más universales para resolver problemas mediante gráficas y nomogramas que relacionan al ancho de haz de media-potencia, longitud de bocina, ángulo de ensanchamiento y apertura. Se deben llevar a cabo cálculos separados para el plano E y el plano H. El ancho de banda de la antena bocina es aproximadamente 10% de la frecuencia de operación. Hay antenas bocinas más complejas incluyendo las antenas cass-horn. Estas son antenas de bajo ruido con ganancia y ancho de haz comparable a la antena parabólica. Una forma especializada de bocina cónica es la antena discone. Estas es una antena cónica montada sobre un disco que sirve como un plano de tierra. Ofrece gran ancho de banda, del orden de 9:1 de relación de frecuencia, y es omnidireccional. La antena “discone” es particularmente útil en las bandas VHF y UHF. Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 138 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE Antena helicoidal. La antena helicoidal es altamente direccional y genera una polarización circular. Una señal polarizada circularmente puede recibirse por una antena ya sea horizontal o vertical. Esta característica hace a la antena helicoidal particularmente útil en comunicación por satélite. Por extraño que parezca, dos antenas helicoidales no pueden comunicarse a menos que sean enrolladas en la misma dirección. La antena helicoidal se define por sus dimensiones. Esto se muestra en la figura 4.28. La definición de las dimensiones se resume así: D = diámetro de hélice, cm. C = circunferencia (πD), cm. S = espacio entre vueltas medido a lo largo del eje x, cm. L = longitud total de hélice (longitud axial), cm. N = número de vueltas = L / S d = diámetro del conductor, cm. L entrada guía de onda D s Figura 4.28. Antena helicoidal. El paso del devanado se relaciona con el diámetro y espaciamiento entre vueltas. El punto de media-potencia y ancho de haz de primer nulo de la antena helicoidal se definen por las ecuaciones 4.26 y 4.27. Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 139 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE 52 D s n grados (°) (4.26) donde φ = ancho de haz< de puntos de media-potencia 115 D s n grados(>) (4.27) donde φ = ángulo de haz de primeros nulos La máxima ganancia directiva o directividad está definida por. Dmáx 115ns(D) 2 3 (4.28) Una antena helicoidal con dimensiones mucho menores que λ alcanza las características de un dipolo, con radiación en un plano perpendicular al eje de la hélice. Más comúnmente las dimensiones de la hélice son del orden de una longitud de onda. La ganancia y el ancho de haz varían con la longitud de la hélice. La antena de haz helicoidal tiene propiedades diferentes de banda ancha, cubriendo un amplio rango de frecuencia de dos a uno, y una impedancia del orden de 100 ohms. El patrón de radiación de la antena helicoidal puede variarse si se hace cónica la hélice. Las antena helicoidales también pueden disponerse en arreglos de 2 a 10, montadas sobre una placa de apoyo de efecto de tierra. Dependiendo del espaciamiento y fase de la señal de entrada, pueden lograrse varias ganancias y directividades. La hélice frecuentemente se usa en comunicaciones VHF. 4.4 Diodos para microondas El diodo semiconductor típico es una unión de materiales semiconductores P y N. Debido al área de unión, más o menos grande, los diodos muestran capacitancia alta, la Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 140 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE cual previene la operación normal en frecuencias de microondas. Por ello, los diodos de unión estándar PN no se usan en la región de microondas. Diodos de punta de contacto Tal vez el dispositivo semiconductor de microondas más antiguo es el diodo de punta de contacto también llamado diodo de cristal. El diodo de punta de contacto no es más que una pieza de material semiconductor y un alambre delgado que hace contacto con el material semiconductor. Como el alambre hace contacto con el semiconductor en una superficie muy pequeña, la capacitancia es bastante baja. La corriente fluye con facilidad desde el cátodo (el alambre delgado) hasta el ánodo (el material semiconductor). Sin embargo, la corriente no fluye tan fácil en la dirección opuesta. La generalidad de los diodos de punta de contacto más antiguos usaban germanio como semiconductor, pero hoy día estos dispositivos se hacen de silicio tipo P con un delgado alambre de tungsteno como cátodo . El umbral de voltaje directo es muy bajo. Los diodos de punta de contacto son ideales para aplicaciones de señal pequeña. Se usan mucho en mezcladores de microondas y en detectores, así como en equipo de medición de potencia de microondas. Son delicados en extremo, no pueden soportar alta potencia. Se dañan con facilidad y, por lo tanto, deben usarse sin que surjan choques y vibraciones. Diodos portadores de alta energía. La mayor parte de los diodos de punta de contacto se han reemplazado por diodos Schottky, también llamados diodos de portadores de alta energía. La generalidad de los diodos Schottky son de silicio tipo N, en los cuales se ha depositado una delgada capa de metal También se usa arseniuro de galio. El semiconductor forma el cátodo y el metal el ánodo. Los materiales típicos para el ánodo son níquel, cromo y aluminio; sin embargo, también se emplean metales como el oro. Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 141 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE Contacto de metal (cátodo) Microfibra Alojamiento de tungsteno de cerámica Chip de silicio tipo P Contacto de metal (ánodo) Figura 4.29 Diodo de punta de contacto. Igual que el diodo de punta de contacto, el diodo Schottky es bastante pequeño y, por lo tanto, tiene una capacitancia de unión muy pequeña. También tiene un umbral de voltaje de polarización bajo. Conduce con una polarización en directa de 0.2 a 0.3 V, mientras que el diodo de unión de silicio conduce a 0.6 V. Las mayores caídas de voltaje a través de los diodos PN de silicio resultan de los efectos de resistencia volumétrica. Los diodos Schortky son ideales para mezclado, detección de la señal y otras operaciones de señales de bajo nivel. Tienen mucho uso en moduladores balanceados y mezcladores. Debido a su respuesta a muy alta frecuencia, los diodos Schottky también tienen demanda como conmutadores en frecuencias de microondas. El empleo más importante de los diodos para microondas es a manera de mezcladores. Por lo general, los diodos para microondas se instalan como parte de una guía de onda o como cavidad resonante sintonizable en la frecuencia de la señal de llegada. Se inyecta la señal de un oscilador local con una sonda o aro. El diodo mezcla las dos señales y produce las frecuencias de suma y diferencia. Casi siempre se selecciona la frecuencia de diferencia con otra cavidad resonante o con un circuito sintonizado LC de baja frecuencia. En un circuito de microondas, el mezclador por lo regular es el circuito de entrada. Esto se debe a la necesidad de convertir la señal de microondas hacia abajo a un nivel de frecuencia, tan pronto como sea posible, a un punto donde la amplificación y demodulación logren Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 142 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE presentarse con circuitos electrónicos más sencillos y más convencionales. Diodos multiplicadores de frecuencia Entre los diodos para microondas diseñados en especial para servicio de multiplicadores de frecuencia están el diodo varactor y el diodo de restablecimiento abrupto. Diodo varactor. El diodo varactor es en sí un capacitor variable con el voltaje. Al aplicar una polarización en inversa al diodo, actúa como capacitor. Su capacitancia depende del valor de la polarización en inversa. El diodo varactor fabricado con arseniuro de galio está optimizado para uso en frecuencia de microondas. Su principal aplicación en circuitos de microondas es como multiplicador de frecuencia. La figura 4.30 muestra un circuito multiplicador de frecuencia con un diodo varactor. Figura 4.30 Multipljcador de frecuencia con diodo varactor. Cuando se aplica una señal de entrada a través del diodo, conduce y corta de manera alternativa. El resultado es una salida no lineal distorsionada que tiene muchas armónicas. Mediante un circuito sintonizado en la salida, se selecciona la armónica deseada y se rechazan las otras. Como las armónicas más bajas producen la mayor cantidad de energía, los diodos varactores multiplicadores por lo común se utilizan sólo para operaciones de duplicar y triplicar. En la figura 4.30, el circuito sintonizado de entrada, L1 - C2, resuena en la frecuencia de Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 143 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE entrada (feot), en tanto el circuito sintonizado de salida. L2 y C3 , lo hace a dos o tres veces la frecuencia de entrada, según se desee. En la práctica, hoy día los circuitos sintonizados no se elaboran de inductores y capacitores individuales. En su lugar son microlíneas, líneas de cinta o cavidades resonantes. Cl y C4 se emplean para acoplamiento de impedancia. Los diodos varactores multiplicadores de frecuencia no tienen ganancia como el amplificador clase C usado como multiplicador. De hecho, un diodo varactor introduce una pérdida de potencia de la señal. Sin embargo, es un circuito más o menos eficaz, y la salida llega a ser tan alta como 80% de la entrada. Por lo común, la eficacia fluctúa entre SO y 80%. No se requiere fuente de potencia externa para este circuito; sólo es necesaria la potencia de entrada de RF para una operación apropiada. Se pueden obtener salidas de hasta 50 W con diodos varactores especiales de alta potencia. Los diodos varactores se usan en aplicaciones donde es difícil generar señales de microondas. Por lo general, es mucho más fácil generar señal de VHF o UHF y luego utilizar una serie de multiplicadores de frecuencia para colocarse en la región deseada de microondas. Los diodos varactores están disponibles para producir salidas de potencia más o menos altas en frecuencias de hasta 100 GHz. Diodos de restablecimiento abrupto. Otro diodo común en circuitos multiplicadores de frecuencia de microondas como el de la figura 4.30, es el diodo de restablecimiento abrupto o varactor de ruptura brusca. Este es un diodo de unión PN hecho con arseniuro de galio o silicio. Cuando su polarización es en directa, conduce como cualquier diodo, pero se almacena una carga en la capa de empobrecimiento. Si se aplica la polarización en inversa, la carga conserva la conducción de manera momentánea. Luego, el diodo corta en forma abrupta. Este restablecimiento repentino produce un pulso de corriente en inversa de gran intensidad durante unos 100 ps (1 ps = 10-12 s). Es en extremo rico en armónicas. Aun las armónicas altas son de una amplitud más o menos alta. Los diodos de restablecimiento abrupto también suelen emplearse en circuitos como el de la figura 15-36, para producir multiplicadores con salidas de potencia de 5 y 10 W. Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 144 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE Salidas de potencia de 50 W también llegan a obtenerse. Las frecuencias de operación de hasta 100 GHz son posibles con una eficacia de 80% o más. Osciladores con diodo Hay tres tipos de diodos distintos del diodo túnel, los cuales pueden oscilar debido a características de resistencias negativas. Éstos son los diodos Gunn, IMPATT y TRAPATT. Diodos Gunn Los diodos gunn, también llamados dispositivos de electrón transferido (TED, transferred-electron devices), en estricto sentido no son diodos porque no tienen uniones. El diodo Gunn es una porción delgada de semiconductor tipo N de arseniuro de galio (GaAs) o fosfuro de indio (InP), que forma una resistencia especial cuando se le aplica voltaje. Este dispositivo muestra una característica de resistencia negativa. Esto es, en cierto intervalo de voltaje, un incremento de voltaje que resulta en una disminución de la corriente, y viceversa, justo lo opuesto de la ley de Ohm. Cuando se polariza de esa manera, el tiempo que toman los electrones para fluir a través del material es tal que la corriente está desfasada 1800 con el voltaje aplicado. Si un diodo Gunn así polárizado se conecta a una cavidad resonante cerca de la frecuencia que determina el tránsito del electrón, la combinación resultante oscilará. Por lo tanto, el diodo Gunn se emplea principalmente como oscilador de microondas. Los diodos Gunn están disponibles para oscilar en frecuencias de hasta 50 GHz. En la región baja de microondas, se pueden obtener potencias de salida de algunos watts. El grueso del semiconductor determina la frecuencia de oscilación. Sin embargo, si la cavidad se hace variable, la frecuencia del oscilador Gunn puede ajustarse en un intervalo de frecuencia angosto. Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 145 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE Diodos IMPATT y TRAPATT. Otros dos diodos para microondas que se utilizan mucho como osciladores son el IMPATT y el TRAPATT. Ambos son de unión PN hecha de silicio, GaAs o InE Se diseñaron para operar con una polarización en inversa alta que produce en ellos la avalancha o ruptura. Fluye una corriente alta. Dentro de un intervalo muy angosto se produce una característica de resistencia negativa, la cual desarrolla oscilación cuando el diodo está montado en una cavidad y polarizado en forma apropiada. Los diodos IMPATT se encuentran con especificaciones de potencia de hasta unos 25 W y en frecuencias de casi 30 GHz. Los diodos IMPATT se prefieren sobre los diodos Gunn si se requieren mayores potencias. Sus principales desventajas son mayor nivel de ruido y voltajes de operación altos. DIODOS PIN El diodo PIN es un diodo de unión PN especial con una capa (intrínseca) J entre las secciones P y N como muestra la figura 4.31a). Las capas P y N por lo regular son de silicio, pero algunas veces también se usa GaAs. En la práctica, la capa I es un semiconductor tipo N muy ligeramente dopado. En frecuencias de menos de 100 MHz, el diodo PIN funciona como cualquier otro diodo de unión. En frecuencias altas, actúa como resistor variable o como interruptor. Cuando la polarización es cero o inversa, el diodo funciona como un valor alto de resistencia, de 5 D o más. Si se le aplica polarización directa, la resistencia del diodo cae a un nivel muy bajo, en general de unos cuantos ohms o menos. Al variar la cantidad de polarización en directa, es posible cambiar el valor de la resistencia dentro de un intervalo lineal. La curva característica para un diodo PIN se muestra en la figura 4.31b. Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 146 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE Figura 4.31 Diodos PIN: a)contruccion, b)curva caracteristica, c)conmutador en T Los diodos PIN se usan como interruptores en circuitos de microondas. Una aplicación típica es conectar un diodo PIN a través de la salida de una línea de transmisión como microlínea o línea de cinta. Cuando un diodo está polarizado en forma inversa, actúa como resistencia muy alta y tiene poco efecto en la mucha más baja impedancia característica de la línea de transmisión. Si el diodo está polarizado en directa, pone en corto a la línea, creando casi una reflexión total. Los diodos PIN se utilizan bastante para conmutar secciones de línea de transmisión de un cuarto o media longitud de onda para proporcionar corrimiento de fase variables en un circuito. La figura 4.31c muestra la configuración de un circuito popular en T, el cual es la combinación de dos conmutadores en serie y un interruptor en paralelo. Tiene un aislamiento excelente entre entrada y salida. Se usa un interruptor de transistor sencillo para el control. Cuando la entrada al control es O binario, el transistor está en corte, por lo que se aplica voltaje a los cátodos de los diodos D1 y D2. D3 conduce debido al divisor de voltaje, que está formado de RA y RE, el cátodo de D3 está en un nivel de voltaje positivo menor que su ánodo. En esta situación, el interruptor está abierto y la señal no llega a la carga. Si la entrada del control es positiva, o 1 binario, el transistor conduce, jalando los cátodos de DI y D2 a tierra a través de los resistores R3 y Rs. Los ánodos de D1 y D2 están en un voltaje positivo a través del resistor R4 , así que estos diodos conducen. D3 está abierto, por lo tanto, la señal pasa a la carga. Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 147 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE Los diodos PIN algunas veces también son útiles por sus características de resistencia variable. Cuando su polarización varía para cambiar la resistencia, le permite crear circuitos de atenuación de voltaje variable. Los diodos PIN también suelen usarse como moduladores de amplitud. 4.5 Tubos de microondas Antes de que se inventaran los transistores, todos los circuitos electrónicos eran con tubos al vacío. Estos tubos son dispositivos para controlar una corriente grande con un voltaje pequeño para producir amplificación, oscilación, conmutación y otras operaciones. Hoy día, los tubos al vacío sólo se utilizan para aplicaciones especiales. El tubo de rayos catódicos (CRT) que se emplea en los televisores, monitores de computadora, osciloscopios, analizadores de espectro y otros dispositivos de presentación, es una forma especial de tubo al vacío que no muestra signos de obsolescencia. Los LCD proporcionan la única alternativa para el CRT y su calidad se incrementa de manera significativa con el paso de los años. Todavía se encuentran tubos al vacío en equipos de microondas. Esto es en particular cierto en los transmisores de microondas que sirven para producir alta potencia de salida. Los transistores de efecto de campo bipolares suelen desarrollar potencia en la región de microondas hasta mas o menos algunos cientos de watts, pero muchas aplicaciones requieren más potencia. Los transmisores de radio en las bandas de UHF y la parte baja de microondas usan tubos al vacío estándar, diseñados para aplicaciones de potencia. Éstos pueden producir niveles de potencia de hasta algunos miles de watts. En frecuencias de microondas más altas (arriba de 2 GHz) se utilizan tubos especiales. En los satélites y sus estaciones terrenas, estaciones de televisión, y en equipo militar como el radar, se necesita potencia de salida muy alta. Los tubos especiales de microondas desarrollados durante la Segunda Guerra Mundial, el klystron, el magnetrón y el tubo de ondas viajeras, todavía se emplean mucho para esas aplicaciones de potencia de microondas. Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 148 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE KLYSTRONS El klistron es un tubo al vacío de microondas que usa cavidades resonantes para generar modulación de velocidad de un haz de electrones, el cual produce amplificación. La figura 4.32 es un diagrama esquematico de un amplificador klistron de dos cavidades. El tubo al vacío mismo consta de un cátodo que calienta un filamento. A temperatura muy alta, el cátodo emite electrones; estos electrones negativos son atraídos por una placa o colector, el cual está polarizado con voltaje positivo alto. Por lo tanto, se establece el flujo de corriente entre el cátodo y el colector dentro del tubo al vacío. Los electrones emitidos por el cátodo se enfocan en una corriente muy estrecha con técnicas electrostáticas y electromagnéticas para el enfoque. En el enfoque electrostático se usan elementos especiales llamados placas de enfoque, a las que se han aplicado voltajes altos para forzar a los electrones dentro de un haz angosto. El enfoque electromagnético utiliza inductores alrededor del tubo, a través de los cuales se pasa corriente para producir un campo magnético. Este campo pem1ite enfocar los electrones dentro del haz angosto. El haz de electrones muy bien enfocado se fuerza a pasar a través de los centros de dos cavidades resonantes que rodean la cavidad central abierta. La señal de microondas por amplificarse se aplica a la cavidad inferior mediante un aro de acoplamiento. Esto crea campos eléctrico y magnético en la cavidad, los cuales provocan que los electrones se aceleren y frenen al pasar a través de la cavidad. En un semiciclo, los electrones son acelerados y en el siguiente semiciclo de la entrada, son frenados. El objetivo es crear grupos de electrones separados media longitud de onda en el espacio de arrastre entre las cavidades. Esta acción de acelerar y frenar del haz de electrones se llama como modulación de velocidad. Como la cavidad de entrada produce grupos de electrones (bunches) en general se le denomina cavidad buncher Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 149 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE Figura 4.32 Amplificador klistron de dos cavidades Dado que los electrones en grupos son atraídos por el colector positivo, se mueven dentro del tubo, donde con el tiempo pasan a través del centro de otra cavidad llamada cavidad receptora (catcher). Debido a que los electrones en grupo se mueven hacia el colector en nubes de densidad alternativa y áreas enrarecidas, el haz de electrones suele denominarse haz de modulación de densidad. Al pasar los grupos de electrones a través de la cavidad receptora, la cavidad es excitada en oscilación en la frecuencia de resonancia. Por lo tanto, la energía de cd en el haz de electrones se convierte en energía de RF en la frecuencia de la cavidad; así sucede la amplificación. La salida se extrae de la cavidad receptora con un aro. Los klystron también se construyen con cavidades adicionales entre el buncher y la cavidad receptora. Estas cavidades intermedias producen mayor agrupamiento, lo cual causa una amplificación mayor de la señal. Si las cavidades buncher se entonan fuera de la frecuencia central de las cavidades de entrada y salida, el efecto amplía el ancho de banda Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 150 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE del tubo. La frecuencia de operación de un klystron se fija por los tamaños de las cavidades de entrada y salida. Como las cavidades en general son típicamente de un Q alto, su ancho de banda es limitado. Al bajar los Q de las cavidades e introducir cavidades intermedias se puede alcanzar una operación con mayor ancho de banda. En la mayor parte de los equipos de microondas, los klystron ya casi no se usan. Los diodos Gunn han reemplazado a los klystron reflex más pequeños en las aplicaciones de generación de señal, porque son más pequeños y de menor costo, además de que no requieren fuentes de alto voltaje de cd. Los klystron mayores, de multicavidades, están siendo reemplazados por tubos de ondas progresivas en aplicaciones de alta potencia. Magnetrones Otro tubo de microondas bastante utilizado es el magnetrón, combinación de un tubo al vacío de simple diodo con cavidades resonantes interconstruidas y un imán permanente muy potente. El ensamble característico del magnetrón de la figura 4.33 consta de un ánodo circular en el cual se ha maquinado un número par de cavidades resonantes. El diámetro de cada cavidad es igual a media longitud de onda en la frecuencia de operación deseada. Por lo regular, es el ánodo de cobre y se conecta a un alto voltaje positivo de cd. Figura 4.33 Tubo magnetrón usado como oscilador Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 151 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE En el centro del ánodo, es decir, la cámara de interacción, hay un cátodo circular que emite electrones al calentarse. En un diodo normal de tubo al vacío, los electrones fluirían del cátodo al ánodo en línea recta, lo cual provocara flujo de una corriente alta. Sin embargo, un tubo magnetrón la dirección de los electrones sufre una modificación porque el tubo está rodeado de un campo magnético intenso. Por lo general, el campo lo origina un imán permanente en forma de C centrado sobre la cámara de interacción. En la figura 15-39, el campo está titulado "perpendicular a la página"; esto significa que las líneas de fuerza podrían estar saliendo de la página, o entrando en la página según la construcción del tubo. Los campos magnéticos de los electrones en movimiento interactúan con el intenso campo suministrado por el imán. En consecuencia, es que la trayectoria para el flujo de electrones desde el cátodo no es directa al ánodo, sino que es curva. Con un ajuste apropiado del voltaje del ánodo y la intensidad del campo magnético, es posible que los electrones curven su trayectoria de manera que alcancen con dificultad el ánodo y causen flujo de corriente. La trayectoria se convierte en aros circulares, como ilustra la figura 15-39. Al cabo del tiempo, los electrones alcanzan el ánodo y generan el flujo de corriente. Al ajustar el voltaje de cd de ánodo y la intensidad del campo magnético, la trayectoria de los electrones se vuelve circular. Al hacer sus etapas circulares en la cámara de interacción, los electrones excitan las cavidades resonantes en oscilación. Por lo tanto, un magnetrón es un oscilador, no un amplificador. Un aro de toma en una de las cavidades proporciona la salida. Los magnetrones son capaces de desarrollar niveles de potencia de microondas muy altos. Miles y aun millones de watts de potencia suele producir un magnetrón. Cuando se opera en modo de pulsos, los magnetrones pueden generar algunos megawatts de potencia en la región de microondas. Por lo regular, los magnetrones pulsados se usan en los sistemas de radar. Los magnetrones de onda continua también se emplean y llegan a generar cientos y aun miles de watts de potencia. Una aplicación regular para magnetrón de onda continua es para propósitos de calentamiento en hornos de microondas. Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 152 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE TUBOS DE ONDAS VIAJERAS Uno de los amplificadores de potencia de RF de microondas más versátiles es el tubo de ondas viajeras (TWT, traveling-wave tube), el cual llega a generar cientos y aun miles de watts de potencia de microondas. El principal beneficio del TWT es un ancho de banda muy amplio. No es resonante en una sola frecuencia. La figura 4.34 muestra la estructura básica de un tubo de ondas viajeras. Consta de un cátodo y calentador por filamento, más un ánodo con polarización positiva para acelerar el haz de electrones en sentido directo y enfocarlo en un haz concentrado. Los electrones son atraídos por una placa positiva llamada colector, a la que se aplica un voltaje de cd muy alto. Los tubos de ondas viajeras pueden ser de cualquier largo, desde 1 hasta varios pies. En cualquier caso, la longitud del tubo por lo regular es de muchas longitudes de onda en la frecuencia de operación. Al tubo lo rodean imanes permanentes o electroimanes, lo cual mantiene a los electrones fuertemente enfocados en el haz concentrado. La longitud del tubo de ondas viajeras está envuelta por una hélice o inductor. El haz de electrones pasa a través del eje de la hélice. La señal de microondas por amplificarse está aplicada en el extremo de la hélice cerca del cátodo y la salida se toma del extremo de la hélice, cerca del colector. El propósito de la hélice es proporcionar una trayectoria para la señal de RF que frenará su propagación. La propagación de la señal de RF a lo largo de la hélice es casi igual a la velocidad del haz de electrones del cátodo al colector. La hélice está configurada de manera que la onda que viaja en ella sea un poco más lenta que el haz de electrones. El paso de la señal de microondas por la hélice produce campos eléctrico y magnético que interactúan con el haz de electrones. El efecto en el haz de electrones se parece al de un klystron. El campo electromagnético generado por la hélice obliga a que los electrones se aceleren y se frenen. Esto origina modulación de velocidad del haz, el que a su vez provoca modulación de densidad. Ésta, por supuesto, causa grupos de electrones que se agrupan juntos, apartados en una longitud de onda. Estos grupos de electrones viajan por la longitud del tubo hacia el colector. Como el haz de electrones modulado en densidad en esencia se encuentra al paso con la onda electromagnética que viaja por la hélice, los Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 153 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE grupos de electrones inducen voltajes en la hélice, que refuerzan el voltaje existente. Por consiguiente, la intensidad del campo magnético en la hélice aumenta mientras la onda viaja a lo largo del tubo hacia el colector. Al final de la hélice, la señal está amplificada de manera considerable. Para extraer la energía de la hélice, se usa un cable coaxial de las estructuras de guía de onda. Figura 4.34 Tubo de ondas viajeras (TWT) Los tubos de ondas viajeras suelen servir para amplificar señales en un intervalo desde UHF hasta cientos de gigahertz. La mayor parte de los TWT tienen un intervalo de frecuencia de casi 2: 1 en el segmento deseado de la región de microondas por amplificarse. Los TWT pueden emplearse en modo de operación continuo y pulsado. Una de las aplicaciones más comunes de los TWT es como amplificadores de potencia en los transpondedores de satélite. TUBOS DE MICROONDAS DIVERSOS El oscila dar de onda de retorno (BWO, backward wave oscillator) es una variación del TWT y, desde allí, la onda viaja del extremo del ánodo del tubo de regreso hacia el cañón de electrones, donde se extrae. Los BWO suelen generar hasta cientos de watts de potencia de microondas en el intervalo de 20 a 80 GHz. La frecuencia de operación del Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 154 Capitulo 4 DISPOSITIVOS DE ENLACE BWO puede sintonizarse con facilidad al variar el voltaje del colector. Los girotrones se construyen y operan como klystrons, y sirven para aplicaciones en frecuencias de microondas arriba de 30 GHz, en el intervalo de ondas milimétricas. También se conectan para operar como osciladores. Los girotrones son los únicos dispositivos disponibles hoy día para amplificación de potencia y generación de señal en el intervalo de ondas milimétricas. El amplificador de campos cruzados (CFA, crossed-field amplifier) se parece al TWT. Su ganancia es menor, aunque un poco más eficaz. Para un nivel dado de potencia, el voltaje de operación de un CFA en general es menor que para un TWT. El ancho de banda es entre 20 y 60% de la frecuencia de diseño. Es posible que alcancen niveles de potencia de varios megawatts en modo pulsado. Conclusiones. La líneas de transmisión a frecuencias milimétricas requieren de métodos de fabricación que satisfagan las tolerancias necesarias a estas frecuencias. Estos métodos consisten en la micro-fabricación o el micro-maquinado. Las consideraciones en el diseño incluyen incluyen el tener bajas pérdidas y baja dispersión, para lo cual es ideal tener un medio de propagación en aire y una estructura totalmente encerrada. El diseñador de circuitos de microcinta dispone de herramientas de software que permiten creas prototipos, incluyendo la simulación electromagnética, el cálculo y los planos del diseño. Loa repetidores son una pieza fundamental en los enlaces de microondas ya que sin estos no se podrían abarcar grandes distancias para la comunicación por medio de microondas y las antenas de microondas son la pieza fundamental para que se puedan llevar a cabo dichos enlaces de comunicación. En el siguiente capitulo se hará uso de todos los temas antes mencionados y se realizaran los cálculos reales para un enlace vía microondas. Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 155 Capitulo 5 CÁLCULOS SOBRE EL DISEÑO DE UN ENLACE CAPITULO 5 CÁLCULOS SOBRE EL DISEÑO DE UN ENLACE Objetivo: Revisar y aplicar las formulas indispensables para el diseño de un enlace recalcando la utilidad de cada una. Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 156 Capitulo 5 CÁLCULOS SOBRE EL DISEÑO DE UN ENLACE Introducción En los capítulos anteriores se han descrito diversas condiciones y funcionamientos de un sistema de microondas vía terrestre con la finalidad de tener una idea mas completa de cómo plantear un enlace real. Para esto queda revisar distintas expresiones matemáticas que engloban los parámetros que debemos definir previamente a la instalación física del enlace. Todo análisis matemático tiene distintos niveles de profundidad, y el grado de complejidad de los que se verán corresponden al del estudiante con bases de telecomunicaciones (idealmente), sin embargo el alumno que esta introduciéndose a las mismas también las encontrara entendibles. En el campo laboral, la parte teórica cumple con establecer la mejor manera de cumplir con un objetivo y específicamente los cálculos son la base de cómo funcionara el enlace de ahí la importancia de conocerlos llevarlos a cabo de la manera mas precisa. 5.1 Perfil Topográfico Para iniciar el cálculo de la altura de las torres es posible utilizar diversas formas para obtener el perfil topográfico como los GPS, recorridos de trayectorias, programas de trazado de trayectorias y las cartas topográficas. Nos enfocaremos a estas últimas como recurso universal. Las cuales pueden ser adquiridas en las instituciones gubernamentales que manejen los datos geográficos del país que en el caso de México es el Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática (INEGI). (1) Plan - Escala. (2) Nombre de la Carta. (3) Identificación de la Carta. (4) Referencias. (5) Datos Generales.. (6) Referencias de Ubicación. (7) Variación. (8) Ubicación en el Mapa. (9) Cartas Adyacentes. (10) Ubicación Departamental. Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 157 Capitulo 5 CÁLCULOS SOBRE EL DISEÑO DE UN ENLACE Figura 5.1 Partes de una carta topográfica Esta es una carta topográfica de Uruguay que muestra las partes que la constituyen, aunque varían de país a país contienen los elementos que se necesitan para realizar el calculo de las torres. Generalmente se usa la escala de 1:50 000, y la distancia entre cotas es de 20 metros ya que las cotas principales es de 100 metros. El primer paso consiste en determinar la posición geográfica de las estaciones y desarrollar sobre un plano de alturas del terreno el perfil geográfico entre las estaciones. Se definen mediante una línea la dirección del enlace con la finalidad de conocer los obstáculos, posteriormente se marcan divisiones según la precisión deseada. En estos puntos específicos se medirá la altura del terreno para tabular los resultados y graficarlos como altura contra kilómetros (o metros según sea el caso). Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 158 Capitulo 5 CÁLCULOS SOBRE EL DISEÑO DE UN ENLACE Se considera entonces una propagación en el “espacio libre”, ignorando la atmósfera y los obstáculos. Se obtiene entonces el nivel de potencia nominal de recepción y el margen de desvanecimiento del enlace. La inclusión de la atmósfera implica una curvatura del rayo de unión entre antenas, mientras que la inclusión de un obstáculo implica el despejamiento de la zona de Fresnel. Se concluye el cálculo cuando, mediante criterios de despejamiento, se admite un nivel de recepción igual al del espacio libre. Se tomará en cuenta la presencia de obstáculos, la atenuación introducida por los mismos o la necesidad de repetidores pasivos para eludirlos. Los puntos 5.1, 5.2 y 5.3 son ejemplificados en el anexo 1, con datos reales de un carta topográfica de México 5.2 Efecto de la curvatura terrestre en los radio enlaces Los sistemas punto a punto (PTP) con antenas altamente direccionales permiten la conectividad sobre grandes distancias. Por ello es importante incluir en el diseño de una red PTP consideraciones sobre la curvatura de la tierra como una de las posibles obstrucciones. Aunque es importante considerar la curvatura de la tierra para mantener la línea de vista entre los dos puntos remotos, se deben tener en cuenta otras consideraciones que podrían constituir una obstrucción en la recepción, como por ejemplo: árboles, otros edificios, montañas y lomas. Cuando se calcula la elevación mínima para la colocación de la antena con el objeto de asegurar la línea de vista, se debe tener en cuenta otra consideración de suma importancia. La propagación de las ondas de radio entre los dos puntos no se propaga en línea recta, sino que debido a consideraciones de dispersión, la propagación se realiza en un área elíptica por encima y debajo de la línea recta del pasaje visual entre los dos puntos a interconectar. Esta zona elíptica se llama la Zona Fresnel. Como consecuencia, las obstrucciones en el paso de la Zona Fresnel deterioran la calidad de la transmisión (caracterizada por la velocidad de transmisión), como también la Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 159 Capitulo 5 CÁLCULOS SOBRE EL DISEÑO DE UN ENLACE reducción de la distancia operacional entre los dos puntos. El estándar de la industria es el de mantener alrededor del 60% de la Zona Fresnel libre de cualquier obstáculo. La zona Fresnel se puede calcular y debe ser tomada en cuenta cuando se diseña un enlace inalámbrico. De acuerdo a los requisitos de la línea de vista y de la zona Fresnel se debe considerar una altura adicional para compensar la curvatura terrestre y naturaleza del haz. La siguiente expresión es la formula para determinar el incremento que debe considerarse al definir la altura de las torres de las antenas. Fi Xi (X n Xi ) *1000 2 KR (5.1) Donde: Xi = Distancia del punto inicial al punto evaluado Xn = Distancia total a enlazar K = 0.75 Factor de corrección de la tierra constante (actualizado por la IUT para cada país cada dos años) R = 6378 Km radio de la tierra respecto al ecuador El resultado se suma a la cota medida en la carta topográfica en los intervalos previamente definidos manejándose como Ci + Fi. 5.3 Zona de Fresnel Tanto en óptica como en comunicaciones por radio o inalámbricas, la zona de Fresnel es una zona de despeje adicional que hay que tener en consideración además de haber una visibilidad directa entre las dos antenas. Este factor deriva de la teoría de ondas electromagnéticas respecto de la expansión de las mismas al viajar en el espacio libre. Esta expansión resulta en reflexiones y Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 160 Capitulo 5 CÁLCULOS SOBRE EL DISEÑO DE UN ENLACE cambios de fase al pasar sobre un obstáculo. El resultado es un aumento o disminución en el nivel de intensidad de señal recibido. Debiendo considerar la curvatura de la tierra (K), que generalmente puede tomar valores de K=2/3 (peor caso) y K=4/3(caso óptimo) En la óptica y comunicaciones por radio, una zona de Fresnel (pronunciada como zona FRA-nel, de origen francés), nombrada en honor del físico Auguste Jean Fresnel, es uno de los elipsoides de revolución concéntricos teóricamente infinitos que definen volúmenes en el patrón de radiación de la abertura circular (generalmente). Fresnel divide resultado en zonas de la difracción por la abertura circular. La sección transversal de la primera zona de Fresnel es circular. Las zonas subsecuentes de Fresnel son anulares en la sección transversal, y concéntricas con las primeras. El concepto de las zonas de Fresnel se puede también utilizar para analizar interferencia por obstáculos cerca de la trayectoria de una viga (antena) de radio. Esta zona se debe determinar primero, para mantenerla libre de obstrucciones. La obstrucción máxima permisible para considerar que no hay obstrucción es el 40% de la primera zona de Fresnel. La obstrucción máxima recomendada es el 20%. Para el caso de radiocomunicaciones depende del valor de K (curvatura de la tierra) considerando que para un K=4/3 la primera zona de Fresnel debe estar despejada al 100% mientras que para un estudio con K=2/3 se debe tener despejado el 60% de la primera zona de Fresnel. Para establecer las zonas de Fresnel, primero debemos determinar la línea de vista de RF ("RF LoS", en inglés), que en términos simples es una línea recta entre la antena transmisora y la receptora. Ahora la zona que rodea el RF LoS es la zona de Fresnel. El radio de la sección transversal de la primera zona de Fresnel tiene su máximo en el centro del enlace. En este punto, el radio r se puede calcular como sigue: (5.2) r = radio en metros (m). Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 161 Capitulo 5 CÁLCULOS SOBRE EL DISEÑO DE UN ENLACE d = distancia en kilómetros (km). f = frecuencia transmitida en megahercios (MHz). La fórmula genérica de cálculo de las zonas de Fresnel es: (5.3) Donde: rn =radio de la enésima zona de Fresnel. d1 = distancia desde el transmisor al objeto en km. d2 = distancia desde el objeto al receptor en km. d = distancia total del enlace en km. f = frecuencia en MHz. 5.4 Ganancia del sistema La ganancia del sistema es la diferencia entre la potencia nominal de salida de un transmisor, y la potencia de entrada mínima requerida por un receptor. La ganancia del sistema debe ser mayor o igual a la suma de todas las ganancias y pérdidas incurridas por una señal al propagarse de un transmisor a un receptor. En esencia, representa la pérdida neta de un sistema de radio. La ganancia del sistema se usa para calcular la confiabilidad de un sistema para determinados parámetros del mismo. La ecuación de la ganancia del sistema es: Gs=Pt-Cmín (5.4) Donde Gs = ganancia del sistema (dB) Pt = potencia de salida del transmisor (dBm) Cmín = potencia mínima de entrada al receptor para determinado objetivo de calidad (dBm) Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 162 Capitulo 5 CÁLCULOS SOBRE EL DISEÑO DE UN ENLACE y donde Pt - Cmín ≥ pérdidas - ganancias Ganancias: A t = ganancia de la antena de transmisión (dB) en relación con un radiador isotrópico A r = ganancia de la antena de recepción (dB) en relación con un radiador isotrópico Pérdidas: Lp = pérdida en trayectoria por espacio libre entre las antenas (dB) Lf = pérdida en alimentador de guía de onda (dB) entre la red de distribución (la red combinadora de canales o separadora de canales) y su antena respectiva (véase la tabla 5.1) Lb = pérdida total por acoplamiento o por ramificación (dB) en los circuladores, filtros y red de distribución, entre la salida de un transmisor o la entrada de un receptor, y su guía de onda de alimentación respectiva (véase tabla 5.1) Fm = margen de desvanecimiento para determinado objetivo de confiabilidad Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 163 Capitulo 5 CÁLCULOS SOBRE EL DISEÑO DE UN ENLACE Perdida por ramificacion, Lb (dB) Perdida por ramificacion, Lf Frecuencia (GHz) 1.8 7.4 8.0 Tipo Perdida (db/100m) Cable coaxial lleno de aire Guia de onda eliptica EWP 64 Guia de onda eliptica EWP 69 Ganancia d antena At o Ar Diversidad 5.4 4.7 6.5 Frecuencia Espacial 5 2 3 3 2 2 Tamaño Ganancia (m) (dB) 1.2 25.2 2.4 3.0 3.7 31.2 33.2 34.7 1.5 38.8 2.4 3.0 3.7 43.1 44.8 46.5 2.4 43.8 3.0 3.7 4.8 45.6 47.3 49.8 Tabla 5.1 Parametros de ganancia del sistema La descripción matemática para la ganancia del sistema es Gs = Pt - Cmin ≥ Fm + Lp +Lf + Lb -A t – A r (5.5) En donde todos los valores se expresan en dB o dBm. Como la ganancia del sistema es indicativa de una perdida neta, las perdidas se representan con valores positivos de dB, y las ganancias con valores negativos de dB. La figura 5.1 muestra un diagrama general de un sistema de microondas, e indica donde suceden las respectivas perdidas y ganancias. Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 164 Capitulo 5 CÁLCULOS SOBRE EL DISEÑO DE UN ENLACE Lp FM At Ar Lb Amplificador de potencia de microondas Pt Lf Lb Lb Red de separacion de canales Red combinadora de canales De otros trasmisores de microondas Receptor Cmin de microondas A otros trasmisores de microondas Figura 5.1 Ganancias y perdidas de una antena 5.5 Perdidas en la trayectoria en espacio libre Se define a las perdidas en la trayectoria en espacio libre (a veces llamadas perdidas por dispersión) como la perdida incurrida por una onda electromagnética al propagarse en línea recta través del vacío, sin energías de absorción o reflexión debidas a objetos cercanos. Las perdidas en la trayectoria en espacio libre dependen de la frecuencia, y aumentan con la distancia. La ecuación para determinar estas pérdidas es la siguiente: 4D 4fD Lp c 2 2 (5.6) Lp = pérdidas en la trayectoria en espacio libre (adimensional) D = distancia (metros) f = frecuencia (hertz) A = longitud de onda (metros) c = velocidad de la luz en el espacio libre (3 X 108 mis) Al pasar a dB se obtiene Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 165 Capitulo 5 CÁLCULOS SOBRE EL DISEÑO DE UN ENLACE 4fD 4 4fD Lp ( dB ) 10log 20log 20log f 20log D 20log c c c 2 (5.7) Cuando la frecuencia está en MHz y la distancia en km, L p ( dB ) 20log 4 (10)(10) 3 20log f ( MHz ) 20log D( km) 3 *108 = 32.4 + 20 log f(MHz) + 20 log D(km) (5.8) Cuando la frecuencia está en GHz y la distancia en km, Lp(dB) = 92.4 + 20 log f(GHz) + 20 log D (Km) (5.9) Se pueden hacer conversiones parecidas para la distancia en millas, frecuencia en kHz, etc. 5.6 Margen de desvanecimiento En esencia el margen de desvanecimiento es un "factor ficticio" que se incluye en la ecuación de ganancia del sistema, para tener en cuenta las características no ideales y menos predecibles de la propagación de las ondas de radio, por ejemplo, la propagación por múltiples trayectorias (pérdida por múltiples trayectorias) y la sensibilidad del terreno. Estas características son causa de condiciones atmosféricas temporales y anormales que alteran las pérdidas en la trayectoria en espacio libre y, por lo general, son perjudiciales para la eficiencia general del sistema. El margen de desvanecimiento también tiene en cuenta los objetivos de confiabilidad de u ma. Por lo anterior, el margen de desvanecimiento se incluye como una pérdida en la ecuacion de ganancia del sistema. W. T. Barnett, de Bell Telephone Laboratories, describió en abril de 1969, formas de calcular el tiempo de interrupción debido al desvanecimiento en una trayectoria sin diversidad, en función del terreno, el clima, la longitud de la trayectoria y el margen de desvanecimiento Arvids Vignant, también de Bell Laboratories, dedujo en junio de 1970 fórmulas para el mejoramiento efectivo alcanzable mediante diversidad espacial vertical, en función distancia de separación, longitud de trayectoria y frecuencia. Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 166 Capitulo 5 CÁLCULOS SOBRE EL DISEÑO DE UN ENLACE Al resolver las ecuaciones de confiabilidad de Barnett-Vignant para determinada disponibilidad anual de un sistema no protegido y sin diversidad, se obtiene la siguiente ecuación: Fm = 30 log D + 10 log (6ABf) – 10 log (1 – R) – 70 Efecto de trayectoria multiple Sensibilidad del terreno Objetivos de confiabilidad (5.10) Constante siendo F = margen de desvanecimiento (dB) D = distancia (kilómetros) f = frecuencia (gigahertz) R = confiabilidad en decimales (es decir, 99.99% = 0.9999 de confiabilidad) 1 - R = objetivo de confiabilidad para una ruta de 400 km en un sentido A = factor de aspereza = 4 sobre agua o un terreno muy liso = 1 sobre terreno promedio = 0.25 sobre un terreno muy áspero y montañoso B = factor para convertir la probabilidad del peor de los meses en probabilidad anual = 1 para convertir la probabilidad del peor de loas meses en probabilidad anual = 0.5 para áreas cálidas o húmedas = 0.25 para áreas continentales promedio = 0.125 para áreas muy secas o montañosas 5.7 Perdida de trayectoria por el espacio libre Las perdidas por trayectoria en el espacio libre Lp, se definen como perdidas que ocurren cuando una onda electromagnética es trasmitida al vació. Pero en realidad no existe perdida al trasmitir las ondas electromagnéticas, el efecto que ocurre realmente es una Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 167 Capitulo 5 CÁLCULOS SOBRE EL DISEÑO DE UN ENLACE dispersión de la señal según se aleja del trasmisor. Por eso es mejor llamar a este fenómeno perdidas por dispersión. La ecuación 5.11 muestra estas perdidas. 4Df 4Df Lp c 2 2 (5.11) Expresado en decibeles 4Df 4Df L p (dB) 10Log 20Log c c 2 (5.12) Si la frecuencia se expresa en MHz, la ecuación queda L p (dB) 20Log 4 (10) 6 (10) 3 20Logf ( MHz) 20LogD( Km) 3 *108 32.4 20Logf (MHz) 20LogD( Km) (5.13) Si la frecuencia se indica en GHz, la ecuación queda Lp(dB) = 92.4 + 20Logf(GHz) + 20Log D(Km) (5.14) Lp = Perdidas por trayectoria en el espacio libre D = Distancia a la que viaja la señal f = Frecuencia de trasmisión c = Velocidad de la luz 5.8 Umbral del receptor La relación de portadora a ruido (C/N, de carrier-to-noise) es, probablemente, el parámetro más importante que se considera al evaluar el funcionamiento de un sistema de Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 168 Capitulo 5 CÁLCULOS SOBRE EL DISEÑO DE UN ENLACE comunicaciones por microondas. La potencia mínima de portadora de banda ancha (Cmín) a la entrada de un receptor que produzca una salida útil de banda base se llama umbral del receptor, o a veces sensibilidad del receptor. Este umbral del receptor depende de la potencia del ruido de banda ancha presente en la entrada de un receptor, el ruido introducido dentro del receptor y de la sensibilidad del detector de banda base al ruido. Antes de poder calcular Cmín, se debe determinar la potencia de ruido en la entrada. Esa potencia es N= KT (5.15) en donde N = potencia del ruido (watts) K = constante de Boltzmann (1.38 X 10-23 J/K) T = temperatura equivalente del ruido del receptor (kelvins) (temperarura = 290 kelvins) B = ancho de banda del ruido (hertz) Expresada en dBm, N ( dBm) 10 log KTB KT 10 log 10 LogB 0.001 0.001 (5.16) Para un ancho de banda de 1 Hz a temperatura ambiente, N 10Log (1.38*1023 )(290) 10Log1 174dBm 0.001 Por lo anterior NdBm) = -174 dBm + 10 Log B (5.17) 5.9 Relaciones de portadora a ruido y de señal a ruido La relación de portadora a ruido (C/N) es la relación de la potencia de la "portadora" de banda ancha (en realidad, no sólo la portadora, sino también sus bandas laterales asociadas) entre la potencia de ruido de banda ancha (el ancho de banda del ruido en el receptor). La cantidad C/N se puede calcular en un punto de RF o FI en el receptor. En Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 169 Capitulo 5 CÁLCULOS SOBRE EL DISEÑO DE UN ENLACE esencia, C/N es una relación señal a ruido de predetección, antes del desmodulador de FM. La relación de potencias de ruido (S/N) es una relación de postdetección, después del desmodulador de FM. En un punto de la banda base en el receptor, se puede separar un solo canal de voz del resto de la banda base para medirse en forma independiente. En un punto de RF o de FI en el receptor es imposible separar un solo canal de voz de la señal FM compuesta. Por ejemplo, un ancho de banda normal para un solo canal de microondas es 30 MHz. El ancho de banda de un canal de banda de voz es 4 kHz. La relación C/N es de potencia de señal compuesta de RF entre la potencia total del ruido en el ancho de banda de 30 MHz. La relación S/N es de la potencia de la señal de un solo canal de banda de voz entre la potencia del ruido, en un ancho de banda de 4 kHz. 5.10 Factor de ruido e índice de ruido El factor de ruido (F) y el índice de ruido (NF, de noisefigure) son cifras de mérito (de calidad) para indicar cuánto se deteriora la relación de señal a ruido cuando una señal pasa por un circuito o una serie de circuitos. El factor de ruido no es más que una relación de señal a ruido en la entrada entre la correspondiente en la salida. En otras palabras, es una relación de relaciones, que se expresa como sigue F RSRent Adimensional RSRsal (5.18) Donde: RSRent = Relacion señal a ruido en la entrada RSRsal= Relacion señal a ruido en la salida El indice de ruido es solo un factor de ruido expresado en dB,y es un parámetro de uso frecuente para indicar la calidad de un receptor. La ecuación de definición del indice de ruido es Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 170 Capitulo 5 CÁLCULOS SOBRE EL DISEÑO DE UN ENLACE NF 10log O sea RSRent RSRsal en decibeles (5.18) NF = 10 log F En esencia, el índice de ruido indica cuánto se deteriora la relación de señal a ruido al propagarse una onda desde la entrada hasta la salida de un circuito. Por ejemplo, un amplificador con índice de ruido de 6 dB quiere decir que la relación de señal a ruido en su salida es 6 dB menor que la que era en su entrada. Si un circuito fuera perfecto y no agregara más ruido a la señal, la relación de señal a ruido a la salida sería igual a la de la entrada. Para un circuito perfecto y sin ruido, el factor de ruido es 1 y el índice de ruido es 0 dB. Un circuito electrónico amplifica las señales y el ruido por igual, dentro de su banda pasante. Por lo tanto, si el amplificador es ideal y sin ruido, la señal y el ruido en la entrada se amplifican igual, y la relación de señal a ruido en la salida será igual a la de la entrada. Sin embargo, en realidad los amplificadores no son ideales. Por consiguiente, el amplificador agrega ruido generado internamente a la forma de onda, y reduce la relación general de señal a ruido. El ruido más predominante es el ruido térmico, que se genera en todos los componentes eléctricos. Por consiguiente, todas las redes, amplificadores y sistemas agregan ruido a la señal y así reducen la relación general de señal a ruido a medida que la señal pasa por ellos. Cuando se conectan en cascada dos o más amplificadores, como se ve en la figura 5.2, el factor total de ruido es la acumulación de los factores individuales. Para calcular el factor de ruido total de varios amplificadores se usa la fórmula de Friiss, que es la siguiente FT F1 F2 1 F3 1 Fn 1 A1 A1 A2 A1 A2 A3 (5.19) FT = factor total de ruido para n amplificadores en cascada F1 = factor de ruido, amplificador I Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 171 Capitulo 5 CÁLCULOS SOBRE EL DISEÑO DE UN ENLACE F2 = factor de ruido, amplificador 2 F3 = factor de ruido, amplificador 3 Fn = factor de ruido, amplificador n A1 = ganancia de potencia, amplificador I A2 = ganancia de potencia, amplificador 2 A3 = ganancia de potencia, amplificador 3 An = ganancia de potencia, amplificador n Notese que usar la formula de Friiss, se deben convertir los indices de ruido a factores de ruido. El indice total de ruido es NFT(dB) = 10 log FT (5.20) Se puede ver que el factor de ruido del primer amplificador (F1) contribuye mas al indice general de ruido. El ruido que introduce en la primera etapa se amplifica en cada uno de los amplificadores siguientes. En consecuencia, cuando se cuando se compara con el ruido introducido en la primera etapa, el que se agrega con cada amplificador siguiente se reduce en un factor igual al producto de las ganacias de potencia de los amplificadores anteriores. Salida Entrada A1 F1 A2 F2 A3 F3 An Fn Figura 5.2 Indice total de ruido Cuando son necesarios cálculos precisos (de 0.1 dB o menos) de ruido, en general cómodo es mas comodo expresar el índice de ruido en función de la temperatura de ruido, o la temperatura equivalente de ruido, y no en potencia absoluta. Como la potencia del ruido (N) es proporcional a la temperatura, el ruido presente en la entrada a un dispositivo se puede expresar en función de la temperatura ambiente del dispositivo (T) y de su temperatura equivalente de ruido (Te). El factor de ruido se puede convertir en un término que sólo depende de la temperatura, del siguiente modo (véase la figura 5.3). Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 172 Capitulo 5 CÁLCULOS SOBRE EL DISEÑO DE UN ENLACE Ni Señal de entrada Nd No A Te Señal de salida T Figura 5.3 Indice de ruido en funcion de la temperatura Sea Nd = potencia de ruido aportada por un solo amplificador, referida a su entrada Entonces Nd = KTeB (5.21) Donde: Te es la temperatura equivalente de ruido. Sean No = potencia total de ruido en la salida de un amplificador (watts) Ni = potencia total de ruido en la entrada de un amplificador (watts) A = ganancia de potencia del amplificador (adimensional) entonces No se puede expresar en la siguiente forma No = ANi + ANd y No = AKTB + AKTeB (5.22) Al simplificar se obtiene No = AKB ( T + Te) (5.23) Y el factor general de ruido es igual a Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 173 Capitulo 5 CÁLCULOS SOBRE EL DISEÑO DE UN ENLACE FT ( S / N )ent S / Ni N AKB(T Te ) o ( S / N ) sal AS / N o ANi AKTB FT T Te T 1 e T T (5.25) (5.24) 5.11 Potencias Potencia mínima de portadora La potencia mínima de portadora es un dato que se relaciona directamente con la potencia que otorga el amplificador y el ruido que se genera cuando la información viaja a través de un canal de información. Matemáticamente se obtiene de la siguiente expresión Cmin = C/N + N (en decibeles) (5.26) Donde C/N es proporcionado por el proveedor. Potencia mínima en umbral del receptor Este dato implica considerar todas las perdidas y ganancias del sistema. Se expresa como: Pu =Gs + Cmin (también en decibeles) (5.27) Potencia isotrópica radiada efectiva (PIRE) La PIRE es aquella que directamente es alimentada al equipo de trasmisión (HPA: High Potence Amplifier) que v a ser multiplicado por la ganancia de la antena trasmisora. Se puede expresar de la siguiente manera PIRE = Pr At (en watts) (5.28) Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 174 Capitulo 5 CÁLCULOS SOBRE EL DISEÑO DE UN ENLACE Donde : Pr = Potencia radiada (watts) At =ganancia de la antena trasmisora (adimensional) Para calcular el comportamiento de la potencia que viaja a traves del espacio libre es necesario considerar el area en que se distribuye, es por eso que la potencia a la salida del trasmisor es inversamente proporcional a la distancia que recorre. La potencia a un punto determinado del enlace se expresa como: PD Pr At 4R 2 (en w/m2) (5.29) Donde: Pr = Potencia radiada (watts) At =ganancia de la antena trasmisora (adimensional) R = distancia en metros a la que se quiere conocer la potencia Potencia capturada Cuando una onda electromagnética viaja distancias considerables la potencia de ella se ve disminuida considerablemente, por eso es importante tener el calculo exacto de la potencia que se capturara. Matemáticamente se expresa como: Pc Pr AtAr 4R 2 (en w/m2) (5.30) Donde: Ar= ganancia de la antena receptora Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 175 Capitulo 5 CÁLCULOS SOBRE EL DISEÑO DE UN ENLACE Resumen de formulas Curvatura terrestre Fi Xi (X n Xi ) *1000 2 KR Donde: Xi = Distancia del punto inicial al punto evaluado Xn = Distancia total a enlazar K = 0.75 Factor de corrección de la tierra constante (actualizado por la IUT para cada país por periodos de dos años) R = 6378 Km radio de la tierra respecto al ecuador Lóbulos de Fresnel Donde: rn = radio de la enésima zona de Fresnel. d1 = distancia desde el transmisor al objeto en Km. d2 = distancia desde el objeto al receptor en Km. d = distancia total del enlace en Km. f = frecuencia en MHz. n = índice de refracción de troposfera general = 1.000325 Ganancia del sistema Gs = Pt - Cmin ≥ Fm + Lp +Lf + Lb -A t – A r Donde: Pt = potencia de salida del transmisor (dBm) Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 176 Capitulo 5 CÁLCULOS SOBRE EL DISEÑO DE UN ENLACE Cmín = potencia mínima de entrada al receptor para determinado objetivo de calidad(dBm) A t = ganancia de la antena de transmisión (dB) en relación con un radiador isotrópico A r = ganancia de la antena de recepción (dB) en relación con un radiador isotrópico Lp = pérdida en trayectoria por espacio libre entre las antenas (dB) Lf = pérdida en alimentador de guía de onda (dB) entre la red de distribución (la red combinadora de canales o separadora de canales) y su antena respectiva (véase la tabla 5.1) Lb = pérdida total por acoplamiento o por ramificación (dB) en los circuladores, filtros y red de distribución, entre la salida de un transmisor o la entrada de un receptor, y su guía de onda de alimentación respectiva (véase tabla 5.1) Fm = margen de desvanecimiento para determinado objetivo de confiabilidad Perdidas de trayectoria en el espacio libre Lp(dB) = 92.4 + 20 log f(GHz) + 20 log D (Km) Donde: f= frecuencia del enlace D = distancia en la que se desea medir la perdida Margen de desvanecimiento Fm = 30 log D + 10 log (6ABf) – 10 log (1 – R) – 70 Efecto de trayectoria multiple Sensibilidad del terreno Objetivos de confiabilidad Constante Siendo: Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 177 Capitulo 5 CÁLCULOS SOBRE EL DISEÑO DE UN ENLACE Fm = margen de desvanecimiento (dB) D = distancia (kilómetros) f = frecuencia (gigahertz) R = confiabilidad en decimales (es decir, 99.99% = 0.9999 de confiabilidad) 1 - R = objetivo de confiabilidad para una ruta de 400 km en un sentido A = factor de aspereza = 4 sobre agua o un terreno muy liso = 1 sobre terreno promedio = 0.25 sobre un terreno muy áspero y montañoso B = factor para convertir la probabilidad del peor de los meses en probabilidad anual = 1 para convertir la probabilidad del peor de loas meses en probabilidad anual = 0.5 para áreas cálidas o húmedas = 0.25 para áreas continentales promedio = 0.125 para áreas muy secas o montañosas Potencia a ruido NdBm) = -174 dBm + 10 Log B Donde: A: Ancho de banda de trasmisión de canal Factor a ruido F RSRent Adimensional RSRsal Índice de ruido NF 10log O RSRent RSRsal en decibeles NF = 10 log F Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 178 Capitulo 5 CÁLCULOS SOBRE EL DISEÑO DE UN ENLACE Donde: RSRent = Relación señal a ruido en la entrada RSRsa = Relación señal a ruido en la salida Factor general de ruido FT T Te T 1 e T T Donde T = temperatura ambiente del dispositivo Te =temperatura equivalente de ruido del mismo Factor de ruido total de varios amplificadores (fórmula de Friiss) FT F1 F2 1 F3 1 Fn 1 A1 A1 A2 A1 A2 A3 FT = factor total de ruido para n amplificadores en cascada F1 = factor de ruido, amplificador I F2 = factor de ruido, amplificador 2 F3 = factor de ruido, amplificador 3 Fn = factor de ruido, amplificador n A1 = ganancia de potencia, amplificador I A2 = ganancia de potencia, amplificador 2 A3 = ganancia de potencia, amplificador 3 Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 179 Capitulo 5 CÁLCULOS SOBRE EL DISEÑO DE UN ENLACE An = ganancia de potencia, amplificador n Nótese que usar la formula de Friiss, se deben convertir los índices de ruido a factores de ruido. El índice total de ruido es NFT(dB) = 10 log FT Potencia mínima de portadora Cmin = C/N + N (en decibeles) Donde : C/N = Relación señal a ruido y es proporcionado por el proveedor. N = Potencia a ruido Potencia mínima en umbral del receptor Este dato implica considerar todas las perdidas y ganancias del sistema. Se expresa como: Pu =Gs + Cmin ( en decibeles) Donde: Gs = Ganancia del sistema Cmin = Potencia mínima de portadora Potencia isotrópica radiada efectiva (PIRE) PIRE = Pr At (en watts) Donde : Pr = Potencia radiada (watts) At =ganancia de la antena trasmisora (adimensional) Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 180 Capitulo 5 CÁLCULOS SOBRE EL DISEÑO DE UN ENLACE Potencia a un punto determinado del enlace PD Pr At 4R 2 (en w/m2) Donde: Pr = Potencia radiada (watts) At =ganancia de la antena trasmisora (adimensional) R = distancia a la que se quiere conocer la potencia (metros) Potencia capturada Pc Pr AtAr 4R 2 (en w/m2) Donde: Ar= ganancia de la antena receptora Pr = Potencia radiada (watts) At =ganancia de la antena trasmisora (adimensional) R = distancia en metros a la que se quiere conocer la potencia Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 181 Capitulo 5 CÁLCULOS SOBRE EL DISEÑO DE UN ENLACE Conclusiones Como se ha mencionado, los cálculos en el diseño de un radio enlace son el pilar del proyecto, estos determinaran el buen funcionamiento del sistema de comunicaciones. Es necesario poner énfasis en el cuidado de los cálculos ya que un resultado mal interpretado podría redundar en gastos innecesarios dentro del proyecto siendo necesaria la comprobación de resultado ya sea manualmente o con programas simuladores. Afortunadamente, el constante contacto con la comunicación vía microondas otorga cierto grado de confiabilidad ya que al conocer el funcionamiento del sistema, los efectos del ambiente y los resultados que se podrían esperar permite darse cuenta de algún error en algún paso del proyecto de enlace, conociendo su causa y posteriormente su solución. Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 182 CONCLUSIONES GENERALES A lo largo de estos cinco capítulos hemos ampliado nuestros conocimientos sobre las microondas como tecnología de telecomunicaciones; desde sus orígenes, componentes hasta sus principales ecuaciones a considerar al realizar un enlace. Esto con el fin de ayudar a los futuros técnicos e ingenieros a tener más amplia su gama de conocimientos sobre tipos de enlaces. Cabe resaltar que no existen malas tecnologías de telecomunicaciones en bae a sus ventajas y desventajas si no que cada una tiene su momento y su tiempo, la ocupación del ingeniero es crearlas, mejorarlas y determinar la mejor opción practica en cada caso. Las microondas ofrecen un ambiente de trabajo bastante dinámico que abarca los cálculos teóricos, el diseño, el mantenimiento y naturalmente el trabajo de campo. Considerando sus puntos similares desde el punto de vista teórico con otras tecnologías como por ejemplo la temática del aprovechamiento del ancho de banda o el problema del ruido puede aprovecharse, sin duda, los conocimientos adquiridos en este tema a otras formas de establecer comunicaciones electrónicas. Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 183 RECOMENDACIONES SOBRE LOS ENLACES TERRESTRES DE MICROONDAS RECOMENDACIONES SOBRE LOS ENLACES TERRESTRES DE MICROONDAS Las frecuencias de operación de los radioenlaces de 2.4Ghz (banda S) y 1 Ghz (banda L) están ubicadas en la gama de las microondas. Ello supone pues, que el incumplimiento de las normas básicas que existen para esta gama de frecuencias, puede ocasionar pérdidas de señal tan importantes que haga inviable el enlace o de tan bajo rendimiento que no sea aprovechable para el fin propuesto. Por tanto, deben respetarse estrictamente los siguientes puntos: Mínima distancia posible de cable entre la antena y el equipo emisor o al receptor El tipo de cable debe ser de impedancia 50 Ohms de muy bajas pérdidas a estas frecuencias. En ningún caso utilizar RG-58 o RG-59 debido a que las pérdidas a 1 Ghz de estos cables son tan elevadas que unos metros atenúan toda la señal disponible. Los conectores El único conector recomendable para intemperie es el de tipo “N” coaxial. Cuidar con atención su colocación al cable recubriendo la conexión aérea con cinta de buena calidad del tipo “caucho vulcanizable”. La más mínima filtración de agua o humedad, en el interior de conector, causará la total pérdida de la señal. Si es necesario realizar alguna prolongación del cable, ésta sólo puede realizarse mediante conectores ‘N’ en los extremos y un enlace ‘N’ hembra-hembra de interconexionado. Nunca realice un empalme soldando los conductores, por muy bien que ésta parezca resultar. Las pérdidas por ello son inadmisibles para el rendimiento del radioenlace. Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 184 RECOMENDACIONES SOBRE LOS ENLACES TERRESTRES DE MICROONDAS La polarización Si se usan antenas del tipo YAGI como son las AN-1000/5, AN-1000 o AN-1000/L, ode la serie 2000, tanto en el emisor como en el receptor, deberán disponerse ambas en el mismo plano (elementos paralelos al suelo o elementos perpendiculares al suelo), teniendo en cuenta que los elementos más opuestos al dipolo (elemento curvado), deben apuntar hacia el punto de enlace. La atenuación Cuando el enlace debe establecerse entre antenas combinadas. Ej.Antena de característica de radiación vertical como la AV-1000 o la OMV-1000 y las de tipo AN1000, éstas últimas siempre deberán disponerse en polarización vertical (Elementos perpendiculares al suelo). La disparidad de polarización en antenas (una vertical con otra horizontal), produce pérdidas de señal de hasta 100 veces (20 dB). Los obstáculos La disposición de antenas sin obstáculos entre puntos hace totalmente garantizable el enlace. No existirán problemas de calidad de señal, obteniéndose una imagen nítida y exenta de chispas o nieve. El único factor determinante en este caso es la distancia, cuyo problema de falta de señal, únicamente requerirá: Un adecuado dimensionado de la potencia del transmisor, ganancia de las antenas o reducción de pérdidas en el cable de las mismas. Ante la presencia de obstáculos entre antenas, la determinación de viabilidad del enlace está seriamente comprometida, no pudiéndose a priori garantizar la viabilidad. En un alto porcentaje se consigue un buen enlace con buena calidad de imagen, Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 185 RECOMENDACIONES SOBRE LOS ENLACES TERRESTRES DE MICROONDAS aprovechando las reflexiones que se producen en paredes, techos, montes cercanos, etc, consiguiéndose incluso enlaces inverosímiles entre plantas altas de edifico con 2º o 3º sótano (Parking). A falta de visión directa entre antenas, debe tenerse en cuenta que cuanto más separadas se dispongan de paredes, suelos, etc., y cuanta mayor altura se les pueda dar, mayor señal y más aprovechable se recibirá en el receptor. La búsqueda de espacios abiertos, (aún sin visibilidad) facilitará la llegada o salida de señales reflejadas, asegurando un mejor enlace. Recomendaciones de tipo de antena Para enlaces fijos punto a punto siempre será recomendable usar antenas de tipo direccional. La antena direccional se fabrica para que refuerce la señal en el sentido de su apuntamiento y elimine o atenúe las señales provenientes tanto laterales como posteriores. Ello es eficaz tanto para eliminar interferencias (otras señales de la misma frecuencia), como eliminar rebotes de la propia señal, que le pueden llegar reflejadas desde otras direcciones, (Efecto de pérdidas de color, dobles imágenes, etc.) Espacios reducidos o necesidad de camuflaje. Si por necesidades de la aplicación (tanto emisor como receptor indistintamente), se precisa ocultar la existencia de éstos elementos y por tanto de la antena, o no se dispone de espacio material suficiente para utilizar una antena direccional, podrá usarse una antena reducida de tipo omnidireccional. Asumiendo la consiguiente reducción en el rendimiento del enlace (menor alcance) recomendándose en tal caso si es posible que el otro elemento posiblemente en situación Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 186 RECOMENDACIONES SOBRE LOS ENLACES TERRESTRES DE MICROONDAS menos restrictiva, incorpore una antena direccional. Ello compensará en parte dicha reducción. Sistemas móviles o portátiles Rigen las mismas normas que el apartado anterior. En ese caso, la unidad móvil indefectiblemente llevará una antena omnidireccional, tipo (por ejemplo AV-1000 o AV-1001) y la unidad fija, dependiendo de la criticidad del enlace puede ser configurada de dos formas: a) Un operador mantiene siempre orientada una antena direccional siguiendo las evoluciones de la unidad móvil (recomendado) b) La unidad fija incorpora una antena omnidireccional tipo OMV-1000, aceptando en algunos casos saltos o discontinuidades en la recepción. Enlaces punto-punto sin visión o de difícil enlace Si por razones de la aplicación deben enlazarse puntos entre los cuales existan obstáculos insalvables, o no pueden usarse antenas que garanticen elevados rendimientos (casos de usos de investigación policial, espionaje, etc) por lo cual los enlaces se ven notablemente mermados, pueden usarse repetidores intermedios. Estos instalados en ubicaciones en áreas no tan críticas, garantizarán un enlace prefecto, tanto de vídeo como de audio. Un repetidor está formado por un receptor (recibe la señal original del emisor situado en área crítica), la aplica a la unidad de emisión, y éste a su vez la remite en otra frecuencia, la cual es recibida por la unidad destino. El repetidor deberá incorporar también dos antenas, perfectamente direccionales, apuntando cada una de ellas a los puntos emisor-receptor remotos. Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 187 RECOMENDACIONES SOBRE LOS ENLACES TERRESTRES DE MICROONDAS Dicha unidad repetidora puede ser compacta, para operación en intemperie, incorporando incluso una batería para una determinada autonomía. En casos complejos pueden usarse más de un reemisor, estableciendo una cadena de repetición. Mejoras en enlaces con unidades móviles Cuando en recintos cerrados o abiertos pero con espacios encajonados entre obstáculos o paredes, movemos un transmisor con su sistema radiante, se producen infinidad de reflexiones de la señal (como si de un espejo se tratara), en paredes, techo, suelo, etc, llegando la señal a la antena receptora por una gran diversidad de caminos, conjuntamente con la señal directa. No es difícil asumir que la fase de una señal reflejada (pared, techo etc.), llegará siempre con un cierto retardo con respecto a la señal directa, incrementándose dicho retardo, con cuantas más reflexiones sufra la señal antes de llegar a la antena receptora. El resultado final, es que en la entrada del receptor se producen una infinidad de sumas y restas de la señal resultante, llegando en muchas ocasiones a la anulación de la misma (Caso de que la fase reflejada y por tanto retardada sea inversa a la directa). En este caso, la resultante será cero, ocasionando una interrupción en el proceso de recepción, que si se trata de imagen, se traducirá en un salto por pérdida de sincronismos, desvanecimientos, etc. Cuando el nivel de la señal perturbadora (reflejada), no alcanza el mismo valor que la directa para producir la anulación, lo que se observa en la pantalla son leves o severos parpadeos en la luminosidad, aunque este fenómeno no siempre es negativo en un enlace. En ocasiones se pretende enlazar dos puntos en el interior del edificio, que no tiene visibilidad entre antenas, y el método, aunque menos predecible y previsible, es aprovechar alguna reflexión, y en muchos casos se consiguen enlaces muy aceptables. Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 188 RECOMENDACIONES SOBRE LOS ENLACES TERRESTRES DE MICROONDAS Recepción por diversidad de espacio La recepción por diversidad es la forma más eficaz para minimizar el efecto “multipath” (multicaminos), en un sistema de radioenlace donde se produzcan reflexiones difíciles de controlar. Tipos de antenas Tanto si se pretende evitar reflexiones como de producir alguna de forma controlada, para establecer contacto con un punto sin visión directa, usaremos antenas con la mínima dispersión y mínimos lóbulos laterales posible. Por ejemplo; Debemos descartar totalmente una característica omnidireccional (recepción en 360º), ya que facilita la recepción o emisión en todas direcciones, excepto si lo que se precisa es recibir una unidad móvil que pueda desplazarse en los 360º, en cuyo caso probablemente deberán aceptarse algunas limitaciones. La antena ideal (para enlazar unidades móviles) será la que por su característica de apertura, puede orientarse a la zona donde va a moverse la unidad móvil y a la vez, presente rechazo a señales laterales y posteriores. Ambas antenas deberán conectarse al sistema de recepción mediante un acoplador lineal y cuyos tramos de cable entre éste y antenas, sean exactamente iguales para no producir desfasamientos indeseados de la señal. La conexión desde la salida del acoplador al receptor, puede ser cualquier largo, limitado solo por la atenuación que el mismo introduce de la señal recibida. Simulación Los simuladores son una valiosa herramienta al analizar la viabilidad de un proyecto mientras que los programas de cálculo automático son una gran ayuda en cuestiones de revisión de nuestros cálculos (por ejemplo programa de herramientas electrónicas Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 189 RECOMENDACIONES SOBRE LOS ENLACES TERRESTRES DE MICROONDAS POWER TOOLS de Andrew, programa para el cálculo de un repetidor pasivo de Microflect o el cálculo de enlaces llamado StarLink de Harris) Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 190 Anexo 1 Cálculo de altura de antenas Anexo 1 Cálculo de altura de antenas Manejo de la carta topográfica Para iniciar el cálculo de la altura de las torres es posible utilizar diversas formas para obtener el perfil topográfico como los GPS, recorridos de trayectorias, programas de trazado de trayectorias y las cartas topográficas. Nos enfocaremos a estas últimas como recurso universal. Las cuales pueden ser adquiridas en las instituciones gubernamentales que manejen los datos geográficos del país que en el caso de México es el Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática (INEGI). (1) Plan - Escala. (2) Nombre de la Carta. (3) Identificación de la Carta. (4) Referencias. ( 6) Referencias de Ubicación. ( 7) Variación. ( 8) Ubicación en el Mapa. ( 9) Cartas Adyacentes. Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 191 Anexo 1 Cálculo de altura de antenas (5) Datos Generales.. (10) Ubicación Departamental. Esta es una carta topográfica de Uruguay que muestra las partes que la constituyen, aunque varían de país a país contienen los elementos que se necesitan para realizar el calculo de las torres. Generalmente se usa la escala de 1:50 000, y la distancia entre cotas secundarias es de 20 metros ya que las cotas principales es de 100 metros. Como se menciono en el capitulo 5 el primer paso consiste en determinar la posición geográfica de las estaciones y desarrollar sobre un plano de alturas del terreno el perfil geográfico entre las estaciones. Se definen mediante una línea la dirección del enlace con la finalidad de conocer los obstáculos, posteriormente se marcan divisiones según la precisión deseada. En estos puntos específicos se medirá la altura del terreno para tabular los resultados y graficarlos como altura contra kilómetros (o metros según sea el caso). Ejemplificaremos paso a paso con el caso hipotético entre 2 poblaciones de Michoacán; Indaparapeo y Pantaleón con un punto intermedio en Ojo de agua de bucio. 1) Elección de los lugares a emplazar las torres. Esta decisión se basa en las poblaciones que requieren el enlace naturalmente sin embargo en ocasiones no es posible instalar las torres dentro de la población por lo que se colocan en las inmediaciones. 2) Trazar una línea recta entre los puntos a enlazar. Esto tiene la finalidad de conocer preliminarmente las condiciones orograficas. 3) Segmentar la línea trazada en segmentos definidos. Dependiendo de la exactitud que se requiera será la cantidad de segmentos ya que en cada uno de estos puntos se medirá la altura marcada en la carta topográfica. Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 192 Anexo 1 Cálculo de altura de antenas 4) Lectura y tabulación de la altura en cada punto. Los datos obtenidos en la carta topográfica se tabulan como distancia (X i) contra cotas medidas (Ci) 5) Calculo de la curvatura terrestre. Mediante la formula de la curvatura se obtiene un incremento a la altura de las cotas, la cual se suma a la altura medida previamente. Con fines de control es preferible colocar en la tabla de datos las columnas de cada medición o resultado. 6) Análisis de las zonas de Fresnel. En este punto conoceremos realmente que obstáculos se encuentran entre los puntos de enlace ya que se despliega el área que ocupa los lóbulos de Fresnel y por ende que porcentaje del mismo esta obstruido recordando que al menos debe encontrarse libre de obstáculos el 60 % el lóbulo de Fresnel (en este ejemplo consideramos la frecuencia de microondas típica de 1.8 GHz y un índice de refracción troposférica de 1.000325 ). 7) Graficación de tablas # Distancia Xi Cota Ci Curvatura fi Altura real Radio de de punto (Km) (m) (m) (m) Fresnel ri (m) 1 0 1900 0 1900 0 2 0.25 1910 1.26 1911.26 4.78 3 0.5 1920 2.52 1922.52 6.73 4 0.75 1920 3.76 1923.76 8.20 5 1 1920 4.99 1924.99 9.42 107 26.5 2700 61.63 2761.63 6.73 108 26.75 2705 61.51 2766.51 4.78 109 27 2745 61.38 2806.38 0 110 27.25 2740 61.23 2801.23 6.41 111 27.5 2735 61.08 2796.08 9.02 194 48.25 1960 2.52 1962.52 9.02 195 48.5 1970 1.26 1971.26 6.41 196 48.75 1980 0 1980 0 Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 193 Anexo 1 Cálculo de altura de antenas Definitivamente esta es la forma más sencilla de comprender las condiciones de enlace. Se representa gráficamente cada uno de los datos ya sea sobre una misma grafica o por separado. Donde se denotan los cálculos por colores Morado: altura leída de la carta topográfica Lila: indica la preliminar línea de vista. Verde: Aumento de altura por efectos de la curvatura terrestre. Azul: Lóbulo de Fresnel sin considerar torres. Naranja: Lóbulo de Fresnel con torres propuestas. Las terminales negras de los kilómetros 0, 27 y 48.75 representan las torres consideradas en base a los lóbulos de Fresnel y los posibles obstáculos 8) Determinación de la altura de las torres. Ya con los datos de la tabla y/o grafica se define con certeza la magnitud de las torres que soportaran las antenas de microondas. Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 194 Anexo 1 Cálculo de altura de antenas En este caso se opto por 2 antenas de 40 metros y una de 80 en base a los principales obstáculos. Las torres que soportan las antenas de microondas pueden tener hasta 120 metros de altura, sin embargo generalmente en casos que lo requieren se usa la altura máxima de 80 metros ya que entre mas alta la torre es mas vulnerable a corrientes de aire y otros efectos atmosféricos sin mencionar los altos costos que representa construir una torre muy alta. En base a esto, en ocasiones se opta por colocar torres intermedias. La siguiente es una presentación de las cartas topográficas de México. Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 195 Anexo 2 Formulario de asignación de frecuencias Anexo 2 Formulario de asignación de frecuencias El siguiente documento es un formato con el cual se solicita a la comisión reguladora de telecomunicaciones de la nación en cuestión (la COFETEL en caso de México) las frecuencias de operación del enlace que se desee realizar. Varía de país a país pero tienen bastantes coincidencias. FORMULARIO DE ASIGNACIÓN DE FRECUENCIA(S) EN MICROONDAS FECHA:……../………/……… A.- DATOS DEL SOLICITANTE Persona solicitante (física o jurídica): Propietario/Gerente: Cédula de Identidad N°: RFC.: Cta. Cte. catastral: Localidad: Dirección: Departamento: Teléfono línea fija: Correo electrónico: B.- DATOS DEL TÉCNICO Nombre y apellido: Empresa: CURP: Matrícula (N° y Categoría): Teléfono línea fija: Correo electrónico: C.- DATOS DE FRECUENCIAS Y CANALIZACIÓN Banda de frecuencias: Tipo de emisión: Frecuencias sugeridas Cantidad de frecuencias solicitadas: Frec.1Estación A : Frec.2 Estación B : D.- DATOS DE LAS ESTACIONES Nombre de la ESTACIÓN A: Localidad: Dirección: Departamento: Latitud (S): Longitud (O): Azimuth: Cota (m): Nombre de la ESTACIÓN B: Localidad: Dirección: Departamento: Latitud (S): Longitud (O): Azimuth: E.- DATOS DEL PERFIL TOPOGRÁFICO Número de puntos relevados: Distancia entre puntos (km): Rugosidad (m): Declive (mrad): Cota (m): Longitud total del enlace (km): Carta topográfica: Escala: F.- DATOS DE LAS ESPECIFICACIONES GENERALES DE LOS EQUIPOS Marca y modelo: Velocidad binaria (Mbps): Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 196 Anexo 2 Formulario de asignación de frecuencias Rango de frecuencias: Configuración: Tipo de Modulación: Capacidad máxima de canales: Capacidad instalada de canales: ESTACIÓN A ESTACIÓN B Transmisor A Potencia r.m.s. de Tx (dBm): Transmisor B Potencia r.m.s. de Tx (dBm): Frecuencia intermedia (MHz): Frecuencia intermedia (MHz): Estabilidad de frecuencia (ppm): Estabilidad de frecuencia (ppm): Receptor A Nivel nominal de Rx (dBm): Figura de ruido (dB): Nivel de Rx p/ BER 10-3 (dBm): Estabilidad de frecuencia: Ganancia del sistema para BER 10-3 (dB): Fuente de alimentación A Tensión nominal (V): Consumo máximo (W): Sistema de respaldo: Autonomía (hs): Receptor B Nivel nominal de Rx (dBm): Figura de ruido (dB): Nivel de Rx p/ BER 10-3 (dBm): Estabilidad de frecuencias: Ganancia del sistema para BER 10-3 (dB): Fuente de alimentación B Tensión nominal (V): Consumo máximo (W): Sistema de respaldo: Autonomía (hs): G.- DATOS DE TORRES Y ESTRUCTURAS TORRE Arriostrada ALTURAS TORRE Autosoportada Edificación (m): Arriostrada ESTACIÓN A SECCIÓN Triangular Cuadrangular Torre (m): ESTACIÓN B Autosoportada SECCIÓN Tubular Total (m): Triangular Cuadrangular ALTURAS Edificación (m): Torre (m): H.- CALCULO DE POTENCIA DE RECEPCIÓN Y CALIDAD ESTACIÓN A Tubular Total (m): ESTACIÓN B Tipo de antena: Apertura (°): Tipo de antena: Apertura (°): Polarización (V/H): Altura (m): Polarización (V/H): Altura (m): Tipo Línea Tx: Longitud (m): Tipo Línea Tx: Longitud (m): Tipo de antena (Div. Esp.): Apertura (°): Tipo de antena (Div. Esp.): Apertura (°): Polarización (V/H): Altura (m): Polarización (V/H): Altura (m): Tipo Línea Tx: Longitud (m): Tipo Línea Tx: Longitud (m): Frecuencia central (GHz): Atenuación espacio libre (dB): Atenuación por obstrucción (dB): Atenuación por obstrucción (dB): Atenuación filtros y diplexores (dB): Atenuación filtros y diplexores (dB): Atenuación total de Línea Tx (dB): Atenuación total de Línea Tx (dB): Pérdidas Totales (dB): Pérdidas Totales (dB): Ganancia de antena A (dBi): Ganancia de antena B (dBi): Pérdidas netas (dB): Pérdidas netas (dB): Potencia de Tx A (dBm): Potencia de Tx B (dBm): Sensibilidad de Rx A (dBm): Sensibilidad de Rx B (dBm): MARGEN DE RECEPCION: INDISPONIBILIDAD CALCULADA (anual): INDISPONIBILIDAD REQUERIDA (Anual): INDISPONIBILIDAD TOTAL EN EL PEOR MES CALCULADA: INDISPONIBILIDAD TOTAL EN EL PEOR MES REQUERIDA: BER 10-6 (dB): BER 10-6 (%): BER 10-6 (%): BER 10-6 (%): BER 10-6 (%): BER 10-3 (dB): BER 10-3 (%): BER 10-3 (%): BER 10-3 (%): BER 10-3 (%): Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 197 Anexo 2 Formulario de asignación de frecuencias En caso de ser Autorizadas las frecuencias, el Propietario se compromete a realizar todas las modificaciones y asumir los costos para solucionar eventuales problemas de interferencias con otros sistemas de radiocomunicaciones que posean Licencia o Autorización de COFETEL. Declaramos tener perfecto conocimiento de la naturaleza y fines del servicio a que serán destinadas las Estaciones Radioeléctricas especificadas en este formulario, así como también de la legislación vigente en materia de Radiocomunicaciones, la que nos comprometemos acatar fielmente. FIRMA DEL TÉCNICO FIRMA DEL PROPIETARIO OBSERVACIONES: En caso que el Formulario no esté completo, contenga datos erróneos o no se cumplan con los requisitos para la presentación detallados más abajo, se procederá a su devolución. ADJUNTAR: 1. Cálculos del enlace radioeléctrico. 2. Cálculos de interferencias en los que se demuestre que las frecuencias solicitadas no ocasionarán interferencias perjudiciales a los enlaces existentes que cuentan con Autorización de comisión regulatoria. 3. Diagrama esquemático de la red. 4. Catálogos de los Equipos y Antenas. 5. Fotocopia autenticada de Cédula de Identidad del Solicitante (Propietario o Gerente en el caso de Personas Jurídicas). 6. Fotocopia autenticada de Cédula de Identidad del Técnico. 7. Fotocopia autenticada de Matrícula del Profesional Técnico expedida por la institución pertinente. 8. Fotocopia autenticada de Acta de Constitución de la empresa (para Persona Jurídica). 9. Fotocopia autenticada de Poder de Representación (en caso de que no firme el Propietario). 10. Autorización de la DINAC o Comprobante de Entrada. PARA USO DE COFETEL ESTACIÓN A ZP ESTACIÓN B ZP Frec.1Estación A : FRECUENCIAS ASIGNADAS Frec.2 Estación B : Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 198 Anexo 3 Historia de la red federal de microondas Anexo 3 Historia de la red federal de microondas. 1941 se establecen enlaces vía microondas México-Estación Radioeléctrica “ Juan de la Granja”, en Toluca, edo de México. 1942 se crea la Dirección General de Telecomunicaciones, a través de la cual el estado fortalece su participación como prestador directo de servicios; en el mismo año se crea la Escuela Nacional de Telecomunicaciones, para apoyar la capacitación del personal técnico requerido por la expansión. 1951 se instala el primer enlace corto entre el centro SCOP y la estación transmisora “Miguel Alemán” en Iztapalapa, básicamente para experimentación. En 1954 se instala la primera ruta México-Guadalajara. 1959 se construye la ruta del sureste México-Veracruz-Coatzacoalcos, en 1960 se prolonga a Villahermosa y Tapachula y en 1961 llega hasta Chetumal; simultáneamente se inicia la construcción de los enlaces Guadalajara-Tepic-Mazatlán-Culiacán-Los Mochis-Ciudad Obregón-Hermosillo-Nogales. 1968 se instala la Red Federal de Microondas de gran capacidad y se inaugura la Torre Central de Telecomunicaciones, incrementándose así la infraestructura básica de los servicios nacionales e internacionales, como la conducción de señales de televisión, telefonía, TELEX y transmisión de datos. 1987 se inicia un programa de modernización, sustituyendo equipo analógico por digital en enlaces tróncales. 1989 la red cuenta con 334 estaciones, 33 rutas de red troncal: 16,500 Km de longitud simple y 105,400 Km de canal de radiofrecuencia desarrollado, de los cuales el 95% corresponde a equipo analógico y 5% a equipo digital. 1990 se desincorpora la red, quedando bajo la responsabilidad de la empresa descentralizada Telecomunicaciones de México, debido a que ya no constituye un servicio Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 199 Anexo 3 Historia de la red federal de microondas prioritario, dado que la comunicación estratégica del país puede garantizarse con el respaldo del sistema de comunicación vía satélite. 1991 la infraestructura de la red se incorpora a Teléfonos de México. El desarrollo de la red es constante entre 1970 y 1980 de 12,800 a 15,800 Km de longitud simple y de 70 mil a 94 mil Km de longitud desarrollada y de 272 a 333 estaciones, permanece casi sin variación hacia 1988, debido a la concurrencia de la red de TELMEX y a la utilización de los Satélites Morelos. En cuanto la normalización y regularización en México sobre las microondas: 1992 Julio, se publicó en el Diario Oficial de la Federación, la Ley Federal sobre Metrología y Normalización (LFMN) 1992 Noviembre se constituyó e integró la Comisión Nacional de Normalización (CNN), (de la cual forma parte integrante la Secretaría de Comunicaciones y Transportes), misma que aprobó, los lineamientos para la integración de los Comités Consultivos Nacionales de Normalización. 1993 Febrero se constituyó e integró el Comité Consultivo Nacional de Normalización de comunicaciones y Tecnologías de la Información (CCNN-CTI). 1997 Octubre se llevó a cabo la última reunión del CCNN-CTI en la que se acordó disolver dicho Comité y crear en su lugar otros dos: uno que atendiera los asuntos relacionados con los servicios de radiodifusión, telegrafía y servicios postales (el CCNNRTSP) y otro que atendiera las normas de telecomunicaciones (el CCNN-T). 1998 Marzo a solicitud de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes, la Comisión Nacional de Normalización aprobó por unanimidad la disolución del CCNN-CTI y la creación del CCNN-RTSP y del CCNN-T. 1998 Julio la Comisión Federal de Telecomunicaciones -en lo sucesivo la COFETEL- convocó a entidades y organizaciones relacionadas con las telecomunicaciones para que designaran a personal técnico que las represente en los trabajos del CCNN-T. Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 200 Anexo 3 Historia de la red federal de microondas Fuentes de información Bibliografía - TOMASI Wayne Sistemas de comunicaciones electrónicas, México, Prentice Hall, 2003 - LAPATINE Sol Electrónica en sistemas de comunicaciones, México, Limusa Noriega, 1990 - HERNÁNDEZ Rangel Francisco, ORTEGA Lara Lizbeth Estaciones terminales y repetidoras, 1990 -FRANZEL Louis E., Sistemas electrónicos de comunicaciones México, Alfaomega -HERRERA Perez Enrique Introducción a las telecomunicaciones modenas -SERWAY A. Raymond Física 2 México, Mc Graw Hill, 1997 Revistas Revista Microwave an guided wave letters 1991 de la IEEE Revista Microwave magazine 2000 de la IEEE NIETO Pérez J. Caracterización de microondas y sus aplicaciones en el análisis estructural de cristales 2D en el laboratorio de enseñanza México “Revista mexicana de física” No. 50, Agosto de 2003 RAMOS Pascual Francisco Cálculo de la atenuación por lluvia en un radioenlace México “Gigatronic” No. 12 Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 201 Anexo 3 Historia de la red federal de microondas Paginas de Internet http://es.wikipedia.org http://www.cft.gob.mx http:www.ICAmericas.net http://portalgsm.com http://www.gtc.cps.unizar.es http://www.ciat.cgiar.org http://www.cft.gob.mx http://www.andrew.com http://www.microflect.com http://www.smf.mx http://www.alqua.org http://www.harris.com Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 202 Anexo 3 Historia de la red federal de microondas QUÉ ES EL ESPECTRO RADIOELÉCTRICO? Enlace terrestre vía microondas____________________________________________ 203
