Resumen del proyecto

DISEÑO, PLANIFICACIÓN Y DESARROLLO DE UNA ESTACIÓN DE RADIO
EN HF DE ALTA COMPETITIVIDAD PARA RADIO DEPORTIVA
ETS Ingenieros de Telecomunicación
Universidad Politécnica de Madrid
Salvador Doménech Fernández, EA5DY
13 julio 2012
Esta presentación es incompleta sin las
explicaciones orales que la acompañan
INDICE
¿QUÉ ES LA RADIO DEPORTIVA?
OBJETIVOS DEL PFC
DESARROLLO DEL PROYECTO
CONCLUSIONES
Introducción
LA RADIO DEPORTIVA: MUCHO MÁS QUE UN HOBBY CIENTÍFICO
• LA RADIO DEPORTIVA ES UNA ACTIVIDAD COMPETITIVA DONDE PARTICIPAN
RADIOAFICIONADOS COMPITIENDO A NIVEL MUNDIAL
• Duración de 24/48 horas
• Con el objetivo de realizar el máximo número de comunicados internacionales,
con el máximo posible de países o zonas del mundo,
• Utilizando seis bandas diferentes del espectro de onda corta
• COMBINACIÓN DE DESTREZA OPERATIVA E INNOVACIÓN TÉCNICA EN
RADIOCOMUNICACIONES DE HF
• CQWW DX CONTEST: EL EVENTO DEPORTIVO, DE CUALQUIER TIPO, CON MAYOR
NÚMERO DE PARTICIPANTES DE TODO EL MUNDO
• Más contendientes que en las Maratones de Londres o Nueva York
• Participantes de más de 150 naciones de todos los continentes
• La clasificación definitiva lleva meses de trabajo de análisis computerizado
• LAS ESTACIONES PUNTERAS REUNEN OPERADORES QUE RECORREN MILES DE KM
PARA ESTAR EN LAS MEJORES UBICACIONES DEL MUNDO
Objetivos
DISEÑAR Y CONSTRUIR UNA ESTACIÓN DE ALTA COMPETITIVIDAD,…
– …ES DECIR, UNA ESTACIÓN DE RADIO DE ALTAS PRESTACIONES, OPTIMIZADA PARA
COMPETICIONES Y CON CAPACIDAD DE OBTENER PUESTOS DE CABEZA
Ejemplo: CR2X, Is. Azores
Ejemplo: CN2R, Marruecos
– LAS MEJORES ESTACIONES A NIVEL MUNDIAL COMBINAN:
– Extensos campos de antenas
– Ubicaciones geográficas privilegiadas
– Elevadas inversiones en equipamiento
– Experimentados equipos de operadores internacionales
Desarrollo del proyecto
UNA ESTACIÓN HF DE ALTAS PRESTACIONES REQUIERE DESARROLLAR
CUIDADOSAMENTE CINCO COMPLEJAS ÁREAS CLAVE
• ELEVADA GANANCIA
• DIVERSIDAD AZIMUTAL
• DIVERSIDAD DE ELEVACIÓN
• ANÁLISIS PROPAGACIÓN HF
• CONDX GEOGRÁFICAS
SISTEMAS
DE ANTENAS
HF
SELECCIÓN
UBICACIÓN
ÓPTIMA
TRANSMISORES
RECEPTORES
• ALTA PUREZA ESPECTRAL
• ALTO MÁRGEN DINÁMICO
• ROBUSTEZ ANTE IMD
• ELIMINACIÓN DE ARMÓNICOS
•
MÚLTIPLOS
RX Y TX SIMULTÁNEOS
SISTEMAS
DE FILTROS
INTEGRACIÓN
OPERATIVA
• ERGONOMÍA
• FUNCIONALIDAD
• INTELIGENCIA COMPETITIVA
Desarrollo: Selección de la ubicación
SE ANALIZARON CUATRO ZONAS DEL MUNDO
CRITERIOS DE VALORACIÓN
EA peninsular
Canarias
– ANÁLISIS DE LA PROPAGACIÓN HF HACIA
ZONAS CLAVE DEL MUNDO
– Horas de apertura
– Intensidad de señal esperable
Caribe sur
Brasil
– ESTRUCTURA DE PUNTUACIÓN DE LOS
PRINCIPALES CAMPEONATOS
– CONDICIONES DE RECEPCIÓN Y RUIDO LOCAL
– “ATRACTIVIDAD” DEL PAIS PARA LAS
ESTACIONES CORRESPONSALES
– PARA LA TOMA DE DECISIÓN, SE DESARROLLO UN ALGORITMO DE EVALUACIÓN QUE
ANALIZA LA PUNTUACIÓN MÁXIMA ESPERABLE DESDE CADA UBICACIÓN
Desarrollo: Selección de la ubicación
ALGORITMO DE SELECCIÓN DE LA UBICACIÓN
• CANARIAS
• CARIBE SUR
• BRASIL
• ESPAÑA PENIN.
PTOS totales =
S S (rate) x (S/N) x (band)
Banda 24 h
100
98
86
65
Desarrollo: Sistema de Antenas
CRITERIOS DE DISEÑO DEL SISTEMA DE ANTENAS
INPUTS
CRITERIOS DE DISEÑO
S/N objetivo en cada zona del mundo
RESULTADOS
Ejemplo de la banda de 28 MHz
– ANTENAS DIRECTIVAS CON
DIVERSIDAD AZIMUTAL
– Lóbulos de radiación azimutales
amplios
Ángulos ionosféricos de llegada por
zona del mundo
– TX-RX HACIA DOS RUMBOS EN
SIMULTÁNEO
LÓBULO EN ELEVACIÓN
– LÓBULOS DE RADIACIÓN
ORIENTABLES EN ELEVACIÓN
Predicción horaria de propagación
por zona del mundo
– ANTENAS DE RECEPCIÓN INMUNES
AL RUIDO
– CAMPO DE ANTENAS < 1 Ha
LÓBULO EN AZIMUT
Desarrollo: Sistema de Antenas
CAMPO DE ANTENAS: CINCO TORRES DE 45 METROS DE
ALTURA CON 32 ANTENAS DIRECTIVAS
ANTENAS DESARROLLADAS
• 10 METROS:
– 7 antenas Yagi de 6 elementos
130 m
45 m
TORRE 1
45 m
TORRE 2
80m: 1 x 2 el
yagi
15m: 4 x 5 el
yagi
TORRE 3
40m: 2 x 4 el yagi
10m: 4 x 5 el yagi
160m:1 x 2 el delta
(NA)
80m: 1 x 2 el
yagi
20m: 3 x 5 el
yagi
77 m
SALA DE
RADIOS
(“Shack”)
20m: 3 x 5 el
yagi
15m: 3 x 5 el
yagi
• 20 METROS:
– 6 antenas Yagi de 5 elementos
• 40 METROS:
– 4 antenas Yagi de 4 elementos
45 m
TORRE 4
• 15 METROS:
– 7 antenas Yagi de 5 elementos
TORRE 5
40m: 2 x 4 el yagi
10m: 3 x 5 el yagi
160m:1 x 2 el delta
(EU)
• 80 METROS:
– 2 antenas Yagi de 2 elementos
• 160 METROS;
– 2 antenas delta-loop de 2 elementos
• RECEPCIÓN (80m y 160m)
– 4 antenas Beverage
Desarrollo: Sistema de Antenas
ANTENAS PARA 160 METROS (1.850 kHz)
– 2 ANTENAS DE BUCLE EN DELTA DE 2 ELEMENTOS CON UN REFLECTOR PASIVO
– POLARIDAD VERTICAL
– 4 DIRECCIONES CONMUTABLES REMOTAMENTE
16m
30m
VENTAJAS:
• EXCELENTE RELACIÓN FRENTE/ESPALDA: REDUCCIÓN DE RUIDO
• CONMUTACIÓN INMEDIATA DE RUMBO
• BAJO ÁNGULO DE RADIACIÓN SIN REQUERIR ALTURAS ELEVADAS
• POLARIZACIÓN OPUESTA A LA SIGUIENTE BANDA (reducción interacción
destructiva)
Desarrollo: Sistema de Antenas
ANTENAS PARA 80 METROS (3.500 kHz - 3.800 kHz)
– 2 ANT YAGI DE 2 ELEMENTOS ACORTADOS AL 60% MEDIANTE BOBINAS DE ALTO Q
– EXCELENTE F/B > 25 dB
– COBERTURA DE TODA LA BANDA MEDIANTE UNA RED ADAPTADORA
Lóbulo azimutal 3,7 MHz
Desarrollo: Sistema de Antenas
ANTENAS PARA 40 METROS (7.000 kHz – 7.200 kHz)
– 4 ANT YAGI DE 4 ELEMENTOS DE TAMAÑO COMPLETO (21 m)
– EXCELENTE F/B = 25 dB
– COBERTURA DE TODA LA BANDA MEDIANTE DOBLE EXCITADO
Lóbulo azimutal 7,1 MHz
Desarrollo: Sistema de Antenas
ANTENAS PARA 20 METROS (14,0 MHz – 14,35 MHz)
– 6 ANT YAGI DE 5 ELEMENTOS DE TAMAÑO COMPLETO (10,5 m)
– EXCELENTE F/B > 27 dB, G = 9,6 dBi. SWR <1,3:1 EN TODA LA BANDA
– ANCHURA DE LÓBULO (-3dB) = 54º
Lóbulo elevación14,2 MHz
(antena a 42m de altura)
Desarrollo: Sistema de Antenas
ANTENAS PARA 15 METROS (21,0 MHz – 21,45 MHz)
– 7 ANT YAGI DE 5 ELEMENTOS
– EXCELENTE F/B > 27 dB, G = 9,6 dBi. SWR <1,5:1 EN TODA LA BANDA
– ANCHURA DE LÓBULO (-3dB) = 52º
Lóbulo azimutal 21,2 MHz
Desarrollo: Sistema de Antenas
ANTENAS PARA 10 METROS (28,0 MHz – 29,7 MHz)
– 7 ANT YAGI DE 6 ELEMENTOS DE ESPACIADO LARGO
– EXCELENTE F/B > 30 dB, G = 10,4 dBi. SWR <1,6:1 EN TODA LA BANDA
– ANCHURA DE LÓBULO (-3dB) = 50º
Lóbulo azimutal 28,4 MHz
Desarrollo: Sistema de Antenas
APILAMIENTO VERTICAL DE LAS ANTENAS YAGI PARA CUBRIR
TODOS LOS ÁNGULOS IONOSFÉRICOS (ejemplo de 28 MHz)
Ganancia / ángulo vertical
ANT 10-4: 38 metros s.n.s.
ANT 10-3: 28 metros s.n.s.
ENFASADO
SELECTIVO
ANT 10-2: 18 metros s.n.s.
ANT 10-1: 8 metros s.n.s.
TORRE 2
Ant 1
Ant 2
Ant 1 + Ant 2
Ant 1+ Ant 2 + Ant 3
Desarrollo: Sistema de filtrado
EL RETO ES OBTENER ATENUACIONES ENTRE PUESTOS TX/RX
CONTIGUOS DE AL MENOS 147 dB
Señal (dBm)
+80
+70
+60
10 kW
1500 W (potencia máxima del transmisor)
CONDICIONANTES
+50
+40
+30
Daño en el receptor
+20
+10
Nivel de bloqueo a 50 khz en el receptor
– TRANSMISORES CON 1500 W DE SALIDA Y POTENCIA
RADIADA DE MÁS DE 30 KW pire
-0
-10
-20
-30
Señal de S9+60dB
IMD en el RX a nivel de ruido
Señal de S9+20dB
-60
-70
Señal de S9
-80
-90
METROS DE RADIO
Señal de S9+40dB
-40
-50
– ANTENAS SITUADAS EN UN RECINTO INFERIOR A 500
Nivel de interferencia moderada
– LAS BANDAS SON TODAS MÚLTIPLOS CONSECUTIVOS
DE FRECUENCIA
– EL ARMÓNICO INTERFERENTE NO DEBE BLOQUEAR
FRECUENCIAS EN LA BANDA SIGUIENTE (máx 1 ch)
-100
-110
-120
Nivel ruido externo en 20 m (típico)
-130
-140
-150
Umbral de ruido del receptor (típico RX K3)
Umbral de ruido del receptor (mejor banda)
– LA AUSENCIA DE INTERFERENCIAS ES UNA GRAN FUENTE DE VENTAJA COMPETITIVA
Desarrollo: Sistema de filtrado
ESQUEMA GENERAL DEL SISTEMA DE FILTRADO
• SINTONIA AUTOMÁTICA
• PASO EN ALTA DE ALTO Q Y ALTA
• ELEVADA PUREZA ESPECTRAL
• MUY BAJO RUIDO DE FASE
IMPEDANCIA (lámparas de vacío)
• ELEVADA ATENUACIÓN DE ARMÓNICOS
LÍNEA l/4 en
1er armónico
TRANSMISOR
(Icom 7800)
AMPLIFICADOR
LINEAL
FILTROS GRIETA CIERRA-BANDA
FILTRO PASOBANDA
• ACTIVO EN TX Y RX
• ATENUACIÓN DE 70 dB EN SIGUIENTE BANDA
• BAJAS PÉRDIDAS DE INSERCIÓN
• ATENUACIÓN SELECTIVA DE LAS BANDAS
•
DAÑINAS
ELABORADO CON LINEAS DE TRANSMISIÓN
Desarrollo: Sistema de filtrado
FILTRO PASOBANDA PARA CADA UNA DE LAS SEIS BANDAS
FUENTE
L2-A
C2
L2-B
L1
CARGA
L3
C1
C3
FILTROS PASO BANDA PARA 160, 40, 15
Y 10 METROS
Desarrollo: Sistema de filtrado
FILTRO DE GRIETA PARA 80 METROS: PASA 3,7 MHz Y
ATENÚA 7 MHz, 14 MHz, 21 MHz y 28 MHz
– FILTRO PASO BANDA DE 3,65 MHz MÁS RESONADORES MONOBANDA PARA LOS
–
MÚLTIPLOS DE LA FRECUENCIA DE PASO
LA CALIDAD DEL FILTRO ES MUY DEPENDIENTE DE LA CALIDAD DE LOS
COMPONENTES DISCRETOS
Desarrollo: Sistema de filtrado
FILTRO DE GRIETA PARA 20 METROS: PASA 14 MHz Y
ATENÚA 7 MHz, 21 MHz y 28 MHz
AMPLIFICADOR
LINEAL
9,08 m de coax LMR600
ANTENAS
20m
– REALIZADOS CON LÍNEA COAXIAL
DE TX DE BAJAS PÉRDIDAS.
– SOPORTA POTENCIAS > 2kW
4,54 m
de LMR600
4,54 m
de LMR600
9,08 m
de LMR600
9,08 m
de LMR600
– PÉRDIDAS DE INSERCIÓN DE 0,2 dB
Corto
Corto
Abierto
– ATENUACIÓN > 45 dB en f1
EN f0
Abierto
– CADA BANDA Y PUESTO DE OPERACIÓN DISPONE DE SU PROPIO CONJUNTO DE
FILTROS DE GRIETA (12 filtros de grieta en total)
Desarrollo: Transmisores-Receptores
SELECCIÓN DE LOS EQUIPOS EN BASE A CINCO CRITERIOS
– MSD: Mínima señal discernible
Análisis: Laboratorios ARRL
– MDB: Margen dinámico de bloqueo
– IMDDR: Margen dinámico de
distorsión por intermodulación
– IP3: Punto de intercepción de
tercer orden
– ERGONOMÍA
MSD
MDB
IMDDR IP3
ERGON.
FlexRadio SDR-5000
132
123
99
47
media
Icom IC-7800 II
141
144
108
51
excelente
Elecraft K3/100
138
142
106
51
buena
Yaesu FT-Dx 5000
136
133
98
41
excelente
Yaesu FT-Dx 9000 D
134
138
100
46
buena
Ten-Tec Orion II
137
136
92
31
excelente
Desarrollo: Integración operativa
INTEGRACIÓN DE SISTEMAS DE UNA BANDA DE FRECUENCIAS
CON DOS PUESTOS DE OPERACIÓN
– ESTA CONFIGURACIÓN SE REPITE SEIS VECES, UNA POR CADA BANDA DE FRECUENCIAS
A los rotores de antena
Torre A
Antenas A
TX-RX
A los rotores de antena
Torre B
Antenas B
TX-RX
Antena RX
MATRIZ
CONMUTACIÓN
ANTENAS
MATRIZ
CONMUTACIÓN
ANTENAS
FILTROS
GRIETA
FILTROS
GRIETA
AMPLIFICADOR
LINEAL
AMPLIFICADOR
LINEAL
FILTRO
PASO-BANDA
PC puesto 1
U. CONTROL
RUMBOS
FILTRO
PASO-BANDA
PC puesto 2
Mandos de
ROTORES
RADIO A
(IC-7800)
Interfaz
MK2R
Auricul.
Microf.
Antena RX
INTERLOCK
Llave CW
RADIO A
(IC-7800)
Llave CW
RED DE ÁREA LOCAL
Interfaz
MK2R
Microf.
Auricul.
Desarrollo: Integración operativa
ERGONOMÍA Y FUNCIONALIDAD EN LOS PUESTOS DE OPERACIÓN
– TODAS LAS FUNCIONES DE CONTROL Y OPERACIÓN SE MANEJAN DESDE EL ORDENADOR
DEL OPERADOR (Log, equipos, antenas, análisis propagación, citas, rumbos, etc…)
– EJEMPLOS ILUSTRATIVOS DEL LAYOUT DE LOS PUESTOS DE OPERACIÓN
Estación NR5M,
(TX, USA)
(*) Estación record mundial en 2012 del CQWPX Contest SSB
Estación EB8AH*,
(Gran Canaria)
Implantación
CALENDARIO DE IMPLANTACIÓN
– JALON 0: ADQUISICIÓN DE TERRENO, PERMISOS Y LICENCIAS DE OBRA...
– JALÓN 18: ENTREGA AL CLIENTE
Conclusiones
LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN A FUTURO
• DESARROLLO DE FILTROS A CRISTAL MUY ESTRECHOS DE PASO VARIABLE PARA
OPERAR DOS ESTACIONES DE RUNNING EN LA MISMA BANDA.
• MODULAR EL ÁNGULO DE DESPEGUE DE LAS ANTENAS VARIANDO LAS FASES DE
ALIMENTACIÓN DE LAS YAGIS APILADAS MEDIANTE REDES DESPLAZADORAS DE
FASE
• OPERACIÓN AGRESIVA DE RUNNING Y S&P EN LA MISMA BANDA DECODIFICANDO EN
SIMULTÁNEO TODO EL ESPECTRO DE LA BANDA (SOLO VIABLE EN CW Y RTTY)
• ESTUDIO COMPARATIVO DEL DESEMPEÑO DE LAS SOLUCIONES DE ESTA ESTACIÓN
MEDIANTE ANÁLISIS ESTADÍSTICO DE LAS SEÑALES EN RECEPTORES REMOTOS
(REVERSE BEACON)
Conclusiones
SÍNTESIS DE LAS CONCLUSIONES (I)
• EL ANÁLISIS DE LA PROPAGACIÓN ESPERABLE Y LA SELECCIÓN DE LA UBICACIÓN ES
UN FACTOR DETERMINANTE PARA MAXIMIZAR LA PUNTUACIÓN
• LAS YAGIS OPTIMIZADAS POR ORDENADOR Y APILADAS SON UNA EXCELENTE
ALTERNATIVA PARA MODULAR LOS ÁNGULOS DE ELEVACIÓN ADAPTÁNDOLOS A LAS
CONDICIONES IONOSFÉRICAS
• ES VIABLE CONSTRUIR ANTENAS DIRECTIVAS DE HILO PARA 1,8 MHz CON ALTURAS
MODERADAS Y MUY ALTA EFICACIA MEDIANTE BUCLES EN DELTA
• LAS YAGIS ACORTADAS MEDIANTE BOBINAS DE MUY ALTO Q (Q>1500) PUEDEN
MANTENER UNA ELEVADA GANANCIA Y ALTO F/B
- A costa del ancho de banda que debe ser resuelto mediante redes de ajuste
• LOS FILTROS DE GRIETA CON LÍNEAS DE TX SON UNA EXCELENTE OPCIÓN PARA
ELIMINAR ARMÓNICOS SUCESIVOS CUANDO SE COMBINAN CON FILTROS PASOBANDA
• LA INTEGRACIÓN DE LA ESTACIÓN PARA PERMITIR TÉCNICAS AGRESIVAS DE
OPERACIÓN ES UNA CLARA FUENTE DE VENTAJA COMPETITIVA EN LOS CONCURSOS
Conclusiones
SÍNTESIS DE LAS CONCLUSIONES (II)
• ESTA ESTACIÓN PUEDE USARSE, DE MANERA INMEDIATA Y SIN MODIFICACIONES,
COMO ESTACIÓN DE COMUNICACIONES DE EMERGENCIA EN CASO DE CATÁSTROFE
• Cobertura mundial
• Capacidad para voz y datos por HF
• Autonomía energética plena
• Acceso a las bandas del Servicio de Aficionados y de las redes de emergencia
adyacentes
• E-mail mediante red Winlink2000
FIN
EF8HQ, Campeón Mundial IARU HF CHAMPIONSHIP
AO8A, Campeón Mundial M/2 CQWW DX
EF8R, Campeón Mundial M/M CQWW DX
EB8AH, Campeón Mundial M/M CQWPX
EB8AH, Campeón Mundial M/2 CQWPX
EF8HQ, Campeón Mundial IARU HF CHAMPIONSHIP
EF9A, Campeón África SO10m CQWW DX
EB8AH, Campeón Mundial M/M CQWPX
2009
2009
2010
2010
2011
2011
2011
2012