La propagación - Sistemas de Comunicaciones Electrónicas y sus

La propagación
Por: Sigfredo Pagel
Dto. Teoría de la Señal
E.T.S.E de Telecomunicación
Universidad de Vigo
En este trabajo se tratarán los temas básicos relativos a un enlace por radio, en
concreto, la recepción de una onda electromagnética portadora de cierta
información.
El transmisor radioeléctrico transmite una onda portadora de información que
deberá propagarse por el espacio (medio o canal de transmisión radioeléctrico)
donde encontrará una serie de obstáculos que deberá sortear.
Interesa conocer los mecanismos de propagación preponderantes en las
diferentes gamas o bandas de frecuencia. Luego se tomará partido a favor de una
determinada banda, la de HF, que abarca las frecuencias entre 3MHz y 30MHz
donde predomina la onda ionosférica.
La razón del motivo de esta particularización está fundamentada en los
objetivos de este libro dedicado a las nuevas técnicas de recepción con modulación
digital.
El sistema DRM (Digital Radio Mondiale), desarrollado por el consorcio
internacional del mismo nombre, es un sistema de recepción que opera
fundamentalmente en frecuencias por debajo de los 30MHz y se encuentra
actualmente en la fase de desarrollo y experimentación. Utiliza unos
procedimientos denominados modulación digital y técnicas de multiplexado.
A modo de introducción se comenzará este capítulo con una motivación a fin
de que el lector participe de los objetivos del sistema y entienda la lógica del
temario que se desarrollará.
1.1 Introducción
Este libro está dedicado a las nuevas técnicas de recepción de la Radio Digital
en frecuencias por debajo de los 30MHz, concretamente, el Sistema DRM.
El estándar1 DRM fue desarrollado por el consorcio internacional del mismo
nombre Digital Radio Mondiale. Este sistema pretende ofrecer una calidad
equivalente a la FM con un ancho de banda mucho menor y, además, paliar los
inconvenientes del denominado multitrayecto, mecanismo típico en la banda de
HF. Este mecanismo se produce en el canal de comunicación como consecuencia
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TÉCNICAS DE RECEPCIÓN DRM
de la recepción de dos o más señales provenientes de la misma fuente con diferente
retardo.
En esta primera etapa, al menos, el sistema DRM compartirá la banda de HF
con la clásica onda corta de AM.
El sistema DRM ofrece un asombroso progreso, un salto cuántico quizá, en lo
que a calidad de audio se refiere, sin perder de vista las características y
limitaciones de la banda de HF, especialmente, utilizando un ancho de banda de
canal tan limitado como 10kHz.
En el estado actual de la técnica el sistema funciona con una unidad frontal o
cabecera de RF (front end) donde se suele producir una doble conversión de
frecuencia con una segunda frecuencia intermedia FI centrada en los 12kHz. La
salida de esta segunda FI ataca directamente la entrada de micrófono o de línea de
la tarjeta de sonido de un PC. La entrada de micrófono suele ser más flexible dado
que permite modificar el nivel de la señal de entrada.
El PC debe presentar una adecuada capacidad de procesamiento para efectuar
la demodulación digital, ésta se realiza mediante un programa software
desarrollado para ese fin. La salida de audio del PC permite la reproducción del
sonido de alta calidad, de acuerdo con el esquema básico que ofrece la propia
organización DRM2, Figura 0.1.
Figura 0.1 Esquema básico del sistema de recepción DRM
Dicho lo dicho, se debe ser muy prudente a la hora de valorar las prestaciones
que este nuevo sistema es capaz de ofrecer. Aquellos lectores habituados a operar
la onda corta en AM conocen los problemas que se suelen presentar cuando la
propagación es mala, y las condiciones de propagación en HF son muy variables
pues dependen de la capa ionizada o ionosfera cuya profundidad y densidad varía
continuamente.
La propagación durante el día difiere respecto de la noche, varía con el ciclo
solar, influyen las manchas solares, no todas las frecuencias se propagan por igual,
etc., etc. No obstante, si se tiene conciencia de esta realidad, se puede sacar mucho
provecho de este sistema de radiocomunicación y disfrutar de momentos
agradables con excelente sonido de calidad digital.
El autor ha experimentado con diferentes estaciones y resulta sorprendente
cómo con potencias relativamente bajas se obtienen alcances intercontinentales de
altísima calidad. Por ejemplo, durante la noche se recibe en Galicia Radio
Nederland que retransmite desde Bonaire (Antilla Holandesa) en 15150kHz con
Capítulo 1 Propagación
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una potencia de 10kW no produciéndose prácticamente cortes durante toda la hora
de transmisión (entre las 23hs y 24hs, hora española). Si se compara esta potencia
con los habituales 500kW con que se suele transmitir en AM surge inmediatamente
otra de las ventajas del sistema: una enorme economía de potencia, hecho muy
deseable en los tiempos que corren.
De las consideraciones anteriores surge claramente que uno de los primeros
temas a abordar es la propagación, hecho que permitirá entender mejor esta técnica
de recepción.
Se comenzará por el soporte o medio físico, el canal de transmisión, que está
basado en las capas ionizadas de la atmósfera y constituye el fundamento de este
tipo de radioenlace.
Se desea dejar constancia que por razones didácticas las alturas de las capas
exteriores como la atmósfera, troposfera e ionosfera no están a escala en todas las
figuras de este libro.
1.2 El soporte físico
Para entender los mecanismos que intervienen en los diferentes tipos de
radioenlaces importa, antes que nada, conocer el medio donde se realizará este
proceso.
La tierra se encuentra rodeada por una serie de capas como se muestra de
forma simplificada en la Figura 0.2. La troposfera es la porción de la atmósfera
que se extiende hasta aproximadamente unos 12km desde la superficie de la tierra.
Posteriormente, se encuentra la capa denominada estratosfera y a continuación una
serie de capas sujetas a fuerte acción solar donde se producen ionizaciones
importantes, es decir, en dichas capas las moléculas del medio gaseoso se disocian
en iones y electrones libres con alta densidad.
Lím ite de la c apa F
650km
Ionosfera
Capa F2
Capa F1
Capa E
150km
Capa D
100km
Estratosfera
Troposfera
50km
10km
Figura 0.2 Las capas que rodean la tierra constituyen el medio de propagación
Estas capas forman zonas estratificadas de máxima ionización. La capa “D” se
encuentra entre unos 50km a 100km de la superficie terrestre. La capa “E” es la
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TÉCNICAS DE RECEPCIÓN DRM
causante de las importantes atenuaciones que se producen en las ondas de alta
frecuencia transmitidas durante el día. Respecto de la capa “F”, ésta durante el día
se subdivide en dos: F1 relativamente constante y F2 que es más variable. Durante
la noche ambas se unifican en la denominada capa F2 cuya altura es intermedia a
ambas, además la actividad de la capa “E” va decayendo gradualmente mientras
que la “D” prácticamente desaparece en ausencia del Sol. El tema de la ionosfera
es complicado y existen libros enteros* dedicados a esta zona de ionización de
manera que aquí sólo se podrán explicar los fundamentos.
1.3 Las bandas de frecuencia
Las ondas más utilizadas en la comunicación por radio se denominan, en su
gama baja, según su longitud de onda que corresponde a las siguientes frecuencias:
Onda larga (LW) de 30 kHz a 300 kHz
Onda media (MW) de 0.3 MHz a 3 MHz
Continuando con la denominación en las gamas más altas donde la
nomenclatura se rige por las magnitudes de las frecuencias:
Frecuencias altas (HF) de 3 MHz a 30 MHz
Frecuencias muy altas (VHF) de 30 MHz a 300 MHz
Frecuencias ultra altas (UHF) de 300 MHz a 3000 MHz
Frecuencias súper altas (SHF) de 3 GHz a 30 GHz
Frecuencias extra altas (EHF) de 30 GHz a 300 GHz
Una vez definidas las gamas de frecuencias para la transmisión por Radio se
podrán estudiar los mecanismos de propagación y su relación con dichas bandas.
1.4 La propagación
La antena transmisora tiene por objeto radiar la energía en forma de onda
electromagnética al espacio. Una vez que la onda abandona la antena interesa saber
los caminos que ésta puede seguir, sí es absorbida por la tierra, qué procesos
experimenta en la troposfera, en la ionosfera, etc. La propagación estudia los
mecanismos que las ondas radioeléctricas experimentan desde que abandonan la
antena transmisora.
A partir del instante en que la onda electromagnética deja la antena una parte
de su energía recorre la superficie de la tierra –hasta extinguirse debido a la
atenuación que ésta introduce− a esta energía se la denomina onda de superficie.
La energía remanente es radiada al espacio en todas las direcciones posibles. Cierta
energía sigue trayectorias por debajo de la horizontal y se la denomina onda
*
Véase por ejemplo: John M. Goodman-. HF Communications, Science and
Technology-. Van Nostrand-. N. Y. 1992.
Capítulo 1 Propagación
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directa. La restante energía, que se propaga con ángulos por encima del horizonte,
puede seguir dos caminos, el primero, a través de la troposfera –que es la capa más
cercana a la tierra de una altura aproximada de 12km− y se la denomina onda
troposférica, el segundo camino, corresponde a ángulos todavía mayores que
permiten alcanzar la ionosfera3, se la denomina onda ionosférica.
Una parte de la onda ionosférica, dependiendo de su frecuencia, sufre
refracciones en las capas de la ionosfera pudiendo volver nuevamente a la tierra a
modo de pseudoreflexión† ionosférica, el resto de la energía se pierde como onda
evanescente atravesando la ionosfera. Todos estos mecanismos se muestran en la
Figura 0.3 y están presentes en todas las frecuencias transmitidas pero en cada
frecuencia una de estas ondas prevalece sobre las demás.
Cuando la frecuencia es relativamente baja, digamos hasta unos 350kHz, el
mecanismo que prevalece es la onda de superficie. Este tipo de onda sólo es útil
para transmisiones a corta distancia (transmisiones locales en onda larga) ya que la
tierra en general no es un buen conductor y la energía se atenúa rápidamente con la
distancia. Puede decirse que el alcance en este tipo de transmisión se encuentra en
el entorno de los 180km.
Figura 0.3 Diferentes formas de propagación
Cuando la frecuencia transmitida es muy elevada, digamos UHF o SHF (entre
1GHz y mayor a 30GHz), el mecanismo preponderante es la onda troposférica, en
este caso se habla de un alcance en visibilidad o alcance óptico4.
Figura 0.4 Estaciones repetidoras distribuidas en vanos
†
En realidad se trata de una refracción dado que las capas de la ionosfera no presentan
exactamente un comportamiento especular sino que los rayos representativos de la onda se
curvan en un proceso de refracción.
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TÉCNICAS DE RECEPCIÓN DRM
Con este mecanismo se pueden realizar transmisiones a distancias compatibles
con la curvatura de la tierra y limitada por obstáculos naturales o los artificiales
debidos, estos últimos, a la mano del hombre.
En esta gama de frecuencias la curvatura de la tierra suele interferir a
distancias en el borde de los 100km. Para establecer radioenlaces a distancias
superiores a los 100km con este tipo de onda se requieren estaciones repetidoras
distribuidas en forma de vanos como se indica en la Figura 0.4.
Cuando la frecuencia transmitida se encuentra en la gama de HF y en la parte
baja de la VHF, digamos entre 3MHz y poco más de 30MHz prevalece el
mecanismo de propagación ionosférica. Las ondas ionosféricas no se transmiten en
línea recta entre el transmisor y el receptor sino por saltos que se producen después
de “reflejarse” alternadamente entre la ionosfera y la tierra. En realidad, como se
dijo antes, no se trata de una reflexión neta sino que la onda tuerce su trayectoria
suavemente siguiendo una curva, proceso que se conoce con el nombre de
refracción. Cuando esta onda retorna a tierra vuelve a reflejarse a la ionosfera
pudiendo llegar al receptor después de varios saltos. Como éste es el mecanismo
que más interesa a los objetivos de este libro se le dará un tratamiento preferencial
en la siguiente sección.
1.4.1 Propagación ionosférica
Cuando se requiere transmitir una señal radioeléctrica a grandes distancias, sin
necesidad de emplear repetidores terrestres o de satélite, cobra importancia la gama
de frecuencias de HF.
Desde el punto de vista del receptor, éste estará en condiciones de recibir
todas aquellas ondas que después de uno o varios saltos lleguen hasta su antena. Si
se observa atentamente la Figura 0.5 surgen diferentes modalidades según los
innumerables ángulos de incidencia en la capa ionizada. De esta forma, a partir de
cierta distancia de la antena transmisora5, y después de una o varias reflexiones, las
ondas llegan a todas partes hasta que la atenuación que introduce el medio de
propagación las extingue. Hay que tener presente que la atenuación aumenta
aproximadamente con el cuadrado de la distancia.
Si se barre angularmente el espacio de radiación de la antena desde el plano
horizontal hasta la vertical se observará que para ciertos ángulos elevados no se
produce la refracción. Estas ondas atraviesan las capas de la ionosfera y se pierden
en el epacio sin volver a la tierra, son las ondas evanescentes indicadas en la
Figura 0.5.
En la misma figura se observa también que si a partir de estas ondas
evanescentes se sigue disminuyendo el ángulo de radiación surge una primera onda
refractada capaz de retornar a tierra. El punto de incidencia sobre la tierra de esta
onda es la mínima distancia (desde la antena transmisora) a partir de la cual se
comienza a recibir onda refractada.
Si se observa el límite de la onda de superficie y la incidencia de esta primera
refracción puede existir, dependiendo de la frecuencia, una zona de silencio (zona
muerta o zona de exclusión) que no se encuentra servida por la antena transmisora.
Capítulo 1 Propagación
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Distancias menores, cercanas a la antena, reciben servicio mediante la onda de
superficie y distancias mayores mediante la onda ionosférica refractada6 pero en la
zona de silencio no hay cobertura (zona de exclusión).
Figura 0.5 Propagación ionosférica
Se observa también que el ángulo con el cual la onda incide sobre la ionosfera
define el alcance, así la onda de trazo continuo (primera refracción en este caso)
presenta en el primer salto un alcance menor que las ondas de trazo discontinuo
que penetran con menor pendiente en la ionosfera.
1.4.2 La propagación durante el día y la noche
Otra observación importante en HF es el mayor alcance nocturno respecto del
diurno debido a que las capas D y E desaparecen durante la noche con lo cual la
onda alcaza la capa F unificada (F2) que se encuentra mucho más arriba sin sufrir
la atenuación diurna de las capas D y E, como puede verse en la Figura 0.6.
Figura 0.6 Alcances diurno y nocturno
1.4.3 Cómo influye la frecuencia en el alcance
Al aumentar la frecuencia de la onda transmitida se modifican las condiciones
de propagación ya que a mayor frecuencia mayor penetración en la ionosfera
aumentando de esta manera el alcance.
Como ejemplo se mostrará el caso de dos frecuencias utilizadas en el actual
sistema de prueba de DRM. Una frecuencia relativamente baja 5990kHz (como la
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TÉCNICAS DE RECEPCIÓN DRM
que utiliza RTL de Luxemburgo, por ejemplo) se refracta en la capa E, su alcance
diurno es pobre y su recepción se hace difícil.
Por otra parte Deutsche Welle DW utiliza 21675kHz (Sri Lanka) que presenta
un gran alcance teórico dado que se refracta en la capa F2 que es mucho más alta
que la capa E, Figura 0.7.
Con ángulos de incidencia más horizontales, como el indicado en trazo
discontinuo, aumenta el alcance y disminuye el número de saltos necesarios. Sin
embargo, debido a la atenuación que introducen las capas D y E durante el día en
cada salto, la señal llega muy atenuada y su recepción será más dificultosa que
durante la noche cuando la capa E desaparece.
Figura 0.7 Diferentes frecuencias, diferentes alcances
Si la misma estación emitiera a 5990kHz su alcance sería mucho menor ya que
se refractaría en la capa E que es mucho más baja y se necesitarían muchos más
saltos con la consiguiente atenuación en cada salto.
Es importante notar que la zona de silencio en la banda de HF aumenta al
aumentar la frecuencia. Por ejemplo, durante el día la zona de silencio para una
transmisión a 6MHz se extiende hasta unos 200km, mientras que a 15MHz se
prolonga hasta unos 1000km en teoría. Durante la noche dicha zona de silencio se
incrementa aún más. Si se amentara la frecuencia hasta superar los 30MHz ya no
habría refracción, la onda se convertiría en evanescente y su energía no volvería a
tierra.
1.4.4 Frecuencia crítica
La máxima frecuencia para la cual todavía se produce refracción es la
denominada frecuencia crítica; por encima de dicha frecuencia crítica las ondas no
se refractan a tierra. En este caso la frecuencia de los 30MHz estaría en el límite de
la frecuencia crítica7.
La frecuencia crítica depende de muchos factores, tales como los estacionales,
el clima, la hora del día, los ciclos solares, etc., etc. Ésta es la razón por la que a
veces no debiera sorprender la recepción de señales extremadamente lejanas a
frecuencias más allá de la crítica.
Capítulo 1 Propagación
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1.5 El desvanecimiento (“fading”)
Muchas veces llegan a la antena receptora dos o más señales provenientes de
la misma fuente o antena transmisora pero que han recorrido caminos diferentes.
Cuando las señales entran aproximadamente en fase la señal recibida se refuerza,
pero cuando el desfase es grande o entran en contratase la señal recibida se debilita
considerablemente, a este mecanismo se lo denomina desvanecimiento, “fading” en
inglés. El fading se produce muy a menudo y en los receptores analógicos este
desagradable efecto se lo suele paliar parcialmente con el denominado control
automático de ganancia; los receptores de mayor categoría incluyen el denominado
detector síncrono que es capaz de recuperar señales muy desvanecidas. En los
receptores digitales se utilizan otros trucos actuando sobre el período de símbolo,
como se verá en el capítulo siguiente.
El principal enemigo de las radiocomunicaciones es el ruido, de manera que
tocaremos brevemente este tema a continuación.
1.6 El ruido en la comunicación
A la hora de comenzar el diseño de la etapa de RF de un receptor de
comunicaciones que debe cubrir un determinado rango de frecuencias, uno de los
puntos importantes a tener en cuenta es el ruido externo.
Se puede definir como ruido a toda señal aleatoria o aperiódica que interfiere
con la información extraída de la señal deseada. También se considera ruido a toda
señal interferente de naturaleza periódica proveniente de diversas fuentes como la
radiación que se produce como consecuencia de la ignición de los automóviles, el
zumbido de las fuentes de alimentación, vibraciones o, incluso, señales similares a
la deseada en tanto éstas interfieran con el reconocimiento de la señal deseada.
A continuación se resumirán las causas de ruido más importantes en
concordancia con el espectro de frecuencias de interés para la comunicación. De
éstas, cabe recordar las principales como el ruido atmosférico, que es diferente de
día que de noche (Atm_Noct. y Atm_Diur), el ruido cósmico (galáctico), el ruido
debido a la actividad del hombre, que se puede subdividir en ruido urbano y ruido
suburbano, etc., etc., y el ruido térmico equivalente del receptor (Eq_Rx).
En la Figura 0.8 se representa en forma aproximada la variación de los
niveles de ruido en función de la frecuencia, en base a mediciones efectuadas con
un receptor de prueba en un ancho de banda de ruido de 10kHz.
Obsérvese la zona de HF enmarcada, entre 3MHz y 30MHz aproximadamente.
El ruido atmosférico es todavía elevado en la gama baja de la banda, el diurno,
muy fluctuante alcanza su máximo en las cercanías de los 10MHz. También son
muy altos los niveles de ruido urbano y suburbano debidos principalmente a la
mano del hombre.
Comparativamente, en la banda de HF, el ruido propio del receptor (Eq_Rx)
influye algo menos, ¡pero influye! Todo esto nos dice a las claras que nos
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TÉCNICAS DE RECEPCIÓN DRM
movemos en una banda donde habrá que luchar contra muchos “enemigos” para
conseguir una buena recepción y una buena antena puede ser nuestro mejor aliado.
Figura 0.8 Campo EµV/m de las fuentes de ruido más importantes (B=10kHz)
Más detalles pueden obtenerse de la bibliografía que se detalla al final del
capítulo.
1.7 Resumen
De las consideraciones anteriores puede extraerse que la propagación depende
fuertemente de la gama de frecuencias utilizada, véase § 1.3. En la banda de ondas
largas, entre 30kHz y 300kHz, la onda de superficie es el medio más idóneo para
comunicaciones a distancias medias. El mecanismo es muy estable al no depender
de las estaciones del año ni del clima.
En onda media, de 300kHz a 3000kHz, para distancias de más de 30km y
menores de 600km la onda de superficie sigue siendo el método más adecuado, el
límite absoluto de este mecanismo de propagación no suele pasar de unos 750km.
Para alcances mayores, especialmente en el extremo alto de esta banda, pueden
obtenerse alcances de 10000km o más pero mediante refracción ionosférica,
durante la noche, la propagación diurna suele ser muy irregular.
En la banda de HF, entre 3MHz y 30MHz, la propagación mediante onda de
superficie suele estar muy limitada, de manera que el único sistema disponible es el
de refracción ionosférica a pesar de las irregularidades inherentes a este
mecanismo. En la parte alta de la banda comienza a vislumbrarse la posibilidad del
uso de la onda directa en visibilidad.
En la gama de las VHF, frecuencias comprendidas entre 30MHz y 300MHz, ni
la onda de superficie ni la ionosférica son posibles, de manera que el mecanismo
idóneo son las ondas directas en visibilidad.
Por último, encima de los 300MHz, en la gama alta de las UHF y la banda de
SHF predomina la onda directa o troposférica con alcances de visibilidad en la
gama baja y ya a partir de los 3GHz, la SHF, el único mecanismo de propagación
posible es el de la onda directa. Esta gama de frecuencias es utilizada
principalmente en las transmisiones de los radioenlaces terrestres y por satélite así
como por el radar.
Capítulo 1 Propagación
11
La propagación específica en HF afecta fundamentalmente el temario de este
libro. Cabe observar que las transmisiones diurnas a larga distancia suelen ser
normalmente complicadas, especialmente en la gama baja de la banda de HF. En
esta zona del espectro radioeléctrico las capas D y E introducen una gran
atenuación durante el día, en cambio durante la noche se consiguen alcances
intercontinentales debido a que estas dos capas desaparecen y la refracción se
realiza más arriba en la capa F2 incrementándose así el alcance.
Otra cuestión importante a tener en cuenta, a la hora de tratar de recibir una
determinada transmisión, es la zona de silencio que depende de la frecuencia que se
trata de recibir, cuanto más alta, mayor la zona de silencio. Por ejemplo cuando
Deutsche Welle transmite desde Sines (Portugal) a 15440kHz presenta dificultades
de recepción en Galicia pues a esta frecuencia la zona de silencio teórica suele ser
de 1000km y la distancia desde Sines al centro de Galicia es de poco más de
500km. Este hecho no es un impedimento absoluto para que durante varios
períodos del día y al entrar la noche la señal pueda recibirse con muy buen nivel.
Hay que tener en cuenta que el medio físico de propagación, la ionosfera, es muy
variable y, en la práctica, impredecible aunque la teoría diga lo contrario, muestra
de ello son los excelentes reportes de recepción del autor en la mencionada zona de
silencio.
Hay que decir también que la zona de silencio se amplía durante la noche y no
es casual que en la zona de silencio se reciba buena señal al atardecer pero al entrar
la noche la señal desaparezca rápidamente al ampliarse la zona de silencio (zona de
exclusión).
Se ha visto también que habrá que luchar a brazo partido contra el ruido y,
para obtener buenos resultados en esta banda de HF y recibir un buen nivel de
señal, lo más importante es contar con una buena antena exterior al edificio.
Referencias Bibliográficas
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Digital Radio Mondiale (DRM): System Spcification. Final Draft ETSI ES 201 980.
PC based software for DRM reception. User Manual Version 1.0.
http://www.DRMrx.org/
3
John M. Goodman-. HF Communications, Science and Technology-. Van Nostrand-.
N. Y. 1992.
4
Sigfredo Pagel. Introducción a los Radioenlaces. Tórculo Ediciones. Vigo 1997.
5
ARRL. The ARRL Handbook for Radio Amateurs. ARRL. USA 1998.
6
D. Bensoussan. Les Antennes. Bordas. Paris 1980.
7
M. Dolukhanov. Propagation of Radio Waves. MIR 1965. IPCC 1995.
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