Concepto de Radiofrecuencia
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05/10/2010 INSTALACIONES DE RADIOCOMUNICACIONES Objetivos Esta unidad busca dar al alumno un panorama sobre física de las ondas de radio, como un conocimiento básico necesario para avanzar en el estudio del tema de las comunicaciones. Identificación de equipos y elementos de sistemas de radiocomunicaciones La unidad nos introduce a la esencia de los campos electromagnéticos y sus características. Se presentan brevemente los conceptos de electromagnetismo, absorción, reflexión, difracción, refracción e interferencia. Se discute el tema de la propagación en espacio libre junto con los conceptos de pérdida en el espacio libre, zonas de Fresnel, línea de vista y trayectoria múltiple. Tema 1: Apartado0 Concepto de radio frecuencia Profesor: Ángel Luís 1 2 Conceptos previos Indice La comunicación es un concepto amplio que engloba a cualquier sistema de transferencia de información entre dos puntos. En nuestro caso la información está contenida en alguno de los parámetros (amplitud, frecuencia, desfase) de una señal eléctrica (tensión o corriente). • Conceptos previos • Onda Electromagnética • Parámetros de una onda electromagnética (OE) Información • Espectro electromagnético Transmisión de la información a distancia • Propagación • Efectos dependientes de la frecuencia Medio físico Transmisor Receptor • Propagación radial en espacio libre Información 3 Conceptos previos 4 Conceptos previos Medios habituales de comunicación son: Cables eléctricos (par trenzado, cable coaxial, etc) Ondas electromagnéticas (Radio, enlaces de microondas) Señales ópticas (Infrarrojos) Transmisión radioeléctrica Antena Información Esta presentación se centra principalmente en la transmisión Radioeléctrica. Transmisor Receptor Línea de transmisión Antena 5 Línea de transmisión Información 6 1 05/10/2010 Onda Electromagnética Indice En general, una onda es una perturbación de alguna propiedad de un medio, que se propaga a través del espacio transportando energía. • Conceptos previos • Onda Electromagnética • Parámetros de una onda electromagnética (OE) • Espectro electromagnético • Propagación • Efectos dependientes de la frecuencia • Propagación radial en espacio libre Una onda electromagnética es la forma de propagación de la radiación electromagnética a través del espacio. 7 Onda Electromagnética 8 Onda Electromagnética La radiación electromagnética, conocida también como onda electromagnética, es una onda que se propaga en el espacio con componentes eléctricos y magnéticos Los componentes eléctricos y magnéticos oscilan perpendiculares uno respecto al otro y en dirección a la línea de propagación. En el entorno de un conductor por el que circula una corriente aparecen dos campos de fuerza perpendiculares entre si: Uno eléctrico y otro magnético. El conjunto se denomina campo electromagnético que se propaga a la velocidad de la luz (c = 3. 108 m/s) en dirección perpendicular a los dos campos. H I + I - E E Campo magnético H Campo eléctrico Sentido de propagación 9 Onda Electromagnética Indice A diferencia de las ondas mecánicas, las ondas electromagnéticas no necesitan de un medio material para propagarse. Estas se propagan por el aire o el vacío y su velocidad de propagación es una proporción de la velocidad de la luz. En el vacío la velocidad de propagación de una onda es de 300000Km/seg. Esta velocidad no es alcanzable por ningún otro movimiento en la naturaleza y cuando atraviesa un medio con mayor densidad la velocidad de propagación es menor. menor Sustancia 10 • Conceptos previos • Onda Electromagnética • Parámetros de una onda electromagnética (OE) • Espectro electromagnético • Propagación Velocidad de la luz Aire 299.912km/s • Efectos dependientes de la frecuencia Agua 224.900km/s • Propagación radial en espacio libre Hielo 229.182km/s Vidrio 189.873km/s Diamante 124.018km/s 11 12 2 05/10/2010 Parámetros de una onda electromagnética (OE) Parámetros de una onda electromagnética (OE) T λ Frecuencia: Es una medida para indicar el número de repeticiones de cualquier fenómeno o suceso periódico en la unidad de tiempo. Su unidad de medida es el Hertz (ciclos/seg). Un Hertz es aquel suceso o fenómeno repetido una vez por segundo. t x λ = longitud de onda λ = C. T T = periodo C = λ. f f = frecuencia T = 1/f c = velocidad (≅ 3.108 m/s) La longitud de onda (λ) es la distancia entre dos frentes de onda. 13 14 Parámetros de una onda electromagnética (OE) Parámetros de una onda electromagnética (OE) Amplitud: Es la distancia desde el punto más alto de la onda (desde el pico) hasta la base de la onda (el eje horizontal de equilibrio). Sus unidades son los Voltios Longitud de Onda: Es la distancia entre dos crestas consecutivas. En otras palabras describe lo largo que es la onda. Se representa por el símbolo griego λ(lambda) y se mide en metros. 15 Parámetros de una onda electromagnética (OE) 16 Parámetros de una onda electromagnética (OE) A continuación se ve un repaso de las notaciones de “potencias de 10”, las cuales son usadas en todo tipo de unidades, ej. micrómetro, kilohertz y megabytes. La frecuencia y la longitud de onda tienen la siguiente relación: donde: c = la velocidad de la luz [m/s] (3x108 m/s = 300.000 km/s en el vacío) l = longitud de onda [m] f = frecuencia [1/s] (Hz) De esta manera, una onda electromagnética con una frecuencia de 2,4 GHz tiene una longitud de onda de 12,5 cm. Toda onda electromagnética (incluyendo la luz o una señal de radio) viaja a la velocidad de la luz, por lo que necesita 1.3 segundos para recorrer la distancia entre la luna y la tierra, 8 minutos desde el sol y 300 micro segundos para recorrer 100 km. 17 18 3 05/10/2010 Polarización de la Ondas electromagnéticas Polarización de la Ondas electromagnéticas - La disposición de los campos, a medida que se propagan, establecerá la polarización de la señal emitida. Dirección de propagación E La polarización es la dirección el campo eléctrico en una onda que se propaga. E H + - H Dirección de ió propagación + ANTENA VERTICAL ANTENA HORIZONTAL 19 Polarización de la Ondas electromagnéticas 20 Polarización de la Ondas electromagnéticas •Para realizar una clasificación, se toma como referencia el plano de propagación del campo eléctrico. •Podemos encontrar propagaciones en las que los campos mantienen su posición durante todo el trayecto, a las que llamaremos “polarizaciones lineales”. •Por el contrario, existen también polarizaciones circulares, en las que los campos van girando a medida que avanzan por el aire, por lo que en función del punto o del momento en que las midamos, observaremos un ángulo diferente de polarización. •En las polarizaciones circulares el campo eléctrico puede ser constante o varias según giramos; así obtenemos polarizaciones elípticas. 21 Polarización de la Ondas electromagnéticas 22 Indice •Cada una de estas clasificaciones se divide, a su vez, en dos, surgiendo así cuatro tipos de polarizaciones. • Conceptos previos • Onda Electromagnética Polarrización Lineal Circular Eliptica Vertical • Parámetros de una onda electromagnética (OE) Horizontal • Espectro p electromagnético g Levórica(horaria) Dextrógica(antihorária) • Propagación Levórica(horaria) • Efectos dependientes de la frecuencia Dextrógica(antihorária) • Propagación radial en espacio libre 23 25 4 05/10/2010 Espectro de la ondas electromagnéticas Espectro de la ondas electromagnéticas El conjunto de todas las frecuencias se denomina espectro. Es la representación sobre un eje de todas las frecuencias. Como sabemos, existe una relación entre la f y la λ, por tanto también en este eje representamos longitudes de ondas. El espectro electromagnético se extiende desde la radiación de menor longitud de onda, como los rayos gamma y los rayos X, pasando por la luz visibles y los rayos infrarrojos, hasta las ondas electromagnéticas l t éti d mayor longitud de l it d de d onda, d como son las l ondas d de radio. Se cree que el límite para la longitud de onda más pequeño posible es la longitud de Planck mientras que el límite máximo sería el tamaño del Universo aunque formalmente el espectro electromagnético es infinito y continuo. ). 26 27 Espectro de la ondas electromagnéticas Espectro de la ondas electromagnéticas La luz es una onda electromagnética así como las ondas de radio. Todas las diferentes ondas se encuentran agrupadas en un espectro que contiene todo el rango de radiación desde la luz visible a la no visible como: infrarrojos, ultravioletas, o rayos tan energético y peligrosos como los rayo gamma, los rayos X o las microondas. Internacionalmente, se ha dividido todo el espectro de frecuencias en las denominadas bandas de frecuencia. Esto se hace así para poder delimitar el acceso de los usuarios a estas bandas. Hay que mencionar que estas clasificación no es global y que algunos países defieren en su delimitación, pero, en general podemos aceptarlas como generales. g o emisión de En sistemas de comunicación,, navegación televisión se trabaja con frecuencias comprendidas entre 300 MHz y 3000 Mhz, que expresado en longitud de onda es de 1 m a 0,1 m. El espectro de frecuencias radioeléctricas es el conjunto de ondas radiélectricas cuya frecuncia está comprendida entre 3kHz y 300GHz. 28 29 Espectro de la ondas electromagnéticas Espectro de la ondas electromagnéticas Bandas de frecuencia.- Es el margen de frecuencias que deben utilizarse según las atribuciones de los diferentes servicios de radiocomunicación. Estas atribuciones las asigna la UIT (Unión Internacional de Telecomunicaciones). Nomenclatura de las bandas de frecuencia.- El espectro de radioeléctrico se subdivide en nueve bandas de frecuencias, que se designan por números enteros en orden creciente. Dado que la unidad de frecuencia es el hertzio (Hz), las frecuencias se expresan: La banda de frecuencias asignada a una estación, es la banda de frecuencias en el interior de la cual se autoriza la emisión de una estación determinada. La anchura de esta banda es igual i l a la l anchura h d la de l banda b d necesaria i mas ell doble d bl del d l valor absoluto de la tolerancia de frecuencias. (Desviación máxima admisible entre la frecuencia asignada y la situada en el centro de la banda). Kilohertzios (Khz) hasta 3000 Khz, inclusive. Megahertzios g ((MHz)) p por encima de 3 MHz hasta 3000 MHz inclusive. Gigahertzios (Ghz) por encima de 3 GHz hasta 3000 GHz inclusive. Para las bandas de frecuencias por en cima de 3000 GHz, es decir , para las ondas centimilimétricas, micrométricas y decimicrométricas, conviene utilizar el Terahertzio (THz). 30 31 5 05/10/2010 Espectro de la ondas electromagnéticas Espectro de la ondas electromagnéticas Nomenclatura de las bandas de frecuencia.La designación numérica sigue la siguiente regla: la banda “n” se extiende desde 0,3 x 10n Hz hasta 3 x 10n Hz, excluido el límite inferior e incluido el límite superior, tal como se refleja en la siguiente tabla: 32 Espectro de la ondas electromagnéticas 33 Espectro de la ondas electromagnéticas Las bandas de fecuencia más bajas se reservan para las emisoras que transmiten en AM, mientras que las de FM transmiten sobre los 100MHz. La única banda que está libre para cualquier uso (como radiocontrol) y para cualquier persona es la banda de los 27MHz , pero, debido a esto, está bastante saturada y sólo es conveniente utilizarla para practicar con montajes caseros y sistemas de poco alcance,, es decir,, de no más de 100m. visible 10-6 m Aplicaciones Rayos láser Fibra óptica Experimental radio en microondas Experimental Navegación Satélite a satélite Repetidor de microondas Tierra a satélite Radar 1014 Hz Infrarrojo 100 GHz Ondas milimétricas 1 cm Medios 1015 Hz Ultravioleta Frecuencias super altas (SHF) 10 GHz GH Frecuencias ultra altas (UHF) 1 GHz Guías de onda 10 cm Las ondas electromagnéticas se caracterizan por su frecuencia y su longitud de onda. El conjunto de todas las frecuencias se denomina espectro. UHF TV Moviles, aeronáutica VHF TV y FM Radio Móvil Negocios Radio aficionados internacional Banda Civil 1m 100 MHz Frecuencias muy altas (VHF) Radio en onda corta 10 m Cable coaxial 10 MHz Frecuencias Altas (HF) 100 m Frecuencias Medias (MF) 10 MHz Frecuencias Bajas (LF) 100 KHz Frecuencias muy bajas (VLF) 10 KHz 1 Km 10 Km 100 Km Radiodifusión AM Aeronáutica Cable submarino Navegación Radio transoceánica radio en onda larga Par de alambres Teléfono Telégrafo 1 KHz Audio 34 Espectro de la ondas electromagnéticas 35 Radar Microondas Espectro electromagnético El término longitud de onda se utiliza cuando se habla de ondas que se transmiten por el aire, como por ejemplo las ondas de radio o televisión y que tienen una frecuencia muy elevada. DC 50 20K 300 Voz Audio Resulta más fácil entonces definirlas por su longitud que es la distancia (expresada generalmente en metros) que recorre un ciclo completo de la onda en el espacio. Por ejemplo: una longitud de onda de 1 metro significa que la onda recorre en el espacio un metro de una cresta a otra, lo cual da una idea de su velocidad o frecuencia. 103 2M 4M 22M 156M 162M Radio Hectométrica s Decamétricas BLU BLU Socorro = 2182 KHz dB C15 Cuanto mayor es la frecuencia, menor será la longitud de onda. 156.80MHz 25 KHz f 156.76M 1G Infrarrojo 10G 100G 109 1010 1011 Visible 1012 1013 Rayos Cósmicos UV f 1014 1015 1016 RADAR MARINO Banda X: 5.2 - 10.9 GHz FM ((VHF)) C16 156.80M Banda S: 1.65 - 5.2 GHz C17 156.85M f 25 KHz Canal 16 (Socorro) 36 37 6 05/10/2010 Espectro de la ondas electromagnéticas Espectro de la ondas electromagnéticas En televisión y FM, se utilizan otras denominaciones como banda I , banda II, banda III, banda IV y banda V. En frecuencias de microondas, se utilizan otras denominaciones como bandas L, C, S, X que provienen de los primeros tiempos del radar. Banda Frec. Mínima Frec. Máxima Canales I 47MHz 68MHz 2,3,4 VHF II 88MHz 108MHz FM III 174MHz 230MHz 5 al 12 VHF IV 470MHz 606MHz 21 al 37 UHF V 606MHZ 862MHz 38 al 69 UHF Banda Frec. Mínima Frec. Máxima λmáxima L 1GHz 2GHz 30 cm 15 cm S 2GHz 4GHz 15 cm 7.5 cm λ mínima C 4GHz 8GHz 7.5 cm 3.75 cm X 8GHz 12.4GHz 3.75 cm 2.42 cm Ku 12.4GHz 18GHz 2.42 cm 1.66 cm K 18GHz 26.5GHz 1.66 cm 11.1 cm Ka 26.5GHz 40GHz 11.1 cm 7.5 cm mm 40GHz 300GHz 7.5 cm 1 mm 38 Espectro de la ondas electromagnéticas 39 Espectro de la ondas electromagnéticas En frecuencias superiores, nos encontramos con la parte del espectro electromagnético correspondiente al infrarrojo,visible y ultravioleta. En frecuencias superiores, tenemos los rayos X y los rayos Gamma, de energía mayor y de longitudes de onda más reducidas. Frec. Mínima Frec. Máxima Rgión submilimétrica 300GHz IR Infrarrojos 800GHz V Visibles UV Ultravioleta Banda Denominación λmáxima λ mínima 800GHz 1 mm 0,4 mm 400THz 0,4 mm 0,8 μm 400THz 750THz 0,8 μm 0,4 μm 750THz 10000GHz 400 nm 12 nm 40 42 Propagación de las ondas electromagnéticas Indice Cuando se emiten las ondas electromagnéticas, interaccionan con las moléculas del aire, transmitiendo los campos creados a través del espacio que los separa del receptor. A medida que la onda se propaga, su energía va decreciendo, debido al efecto de la absorción de la señal propia del medio por el cual transcurre. El modo en que se produce la propagación no es uniforme, depende fundamentalmente de la frecuencia. Esto se debe a que la naturaleza y la densidad del aire que rodean la superficie terrestre no son constantes. Mientras que las capas bajas suelen ser transparentes ante las ondas, a partir de unos 50 km y hasta unos 400 km de altura, encontramos una capa atmosférica con importantes efectos sobre la propagación: la ionosfera. Esta zona, cuya densidad crece con la altura , tiene la particularidad de ionizarse ante las radiaciones solares, por lo que, dependiendo de la frecuencia y el momento del día, puede comportarse como un espejo, reflejando las ondas, o permitir que estás la atraviesen, con un mayor o menor grado de refracción. • Conceptos previos • Onda Electromagnética • Parámetros de una onda electromagnética (OE) • Espectro p electromagnético g • Propagación • Efectos dependientes de la frecuencia • Propagación radial en espacio libre 45 46 7 05/10/2010 Propagación de las ondas electromagnéticas Propagación de las ondas electromagnéticas Principio de Huygens Se llama propagación al conjunto de fenómenos físicos que conducen a las ondas de radio con el mensaje del transmisor al receptor. Esta propagación puede realizarse siguiendo diferentes fundamentos físicos, cada uno más adecuado para un grupo de frecuencias de la onda a transmitir. Un principio importante cuando se trata de entender la propagación de ondas electromagnéticas, y por ende de ondas de radio, es el principio de Huygens, el cual en su forma simplificada puede ser formulado como: Las ondas electromagnéticas están están sometidas a una serie de efectos: Absorción, Reflexión, Difracción, Refracción e Interferencia. Estos fenómenos son de gran importancia para las comunicaciones inalámbricas. “En cualquier punto de un frente de onda, se puede considerar que se origina un nuevo frente de onda esférico”. 47 Propagación de las ondas electromagnéticas 48 Coneptos básicos de la propagación de RF Principio de Huygens Absorción Si sumamos las ondas esféricas de un frente de onda, entendemos por qué un frente de onda no perturbado viaja como una sola pieza. El principio de Huygens también explica por qué la luz (ondas de radio, o cualquier onda electromagnética) no siempre viaja en línea recta. Es la pérdida de energía en el medio de propagación La potencia decrece de manera exponencial La energía absorbida generalmente se transforma en calor Una onda se propaga en línea recta solamente en el vacío, en cualquier otro medio puede cambiar su trayectoria debido a la presencia de obstáculos o de diferencias en la composición del medio. Las ondas de radio, de cualquier clase, son atenuadas o debilitadas mediante la transferencia de energía al medio en el cual viajan cuando éste no es el vacío. 49 Coneptos básicos de la propagación de RF 50 Coneptos básicos de la propagación de RF Absorción Refracción En general, encontramos una fuerte absorción en los materiales conductores, sobre todo en metales. Cuando una onda pasa de un medio a otro de densidad diferente, cambia de velocidad y en consecuencia de dirección. Las líneas azules representan el frente de onda entrante mientras que las rojas representan t ell frente f t de d ondas d desviadas por la refracción. C1 es un medio con una velocidad de propagación mayor a C2. El ángulo que forman ambos frentes de onda depende de la composición del material del obstáculo (C2). El otro material absorbente para las ondas, en las frecuencias relevantes a las redes inalámbricas, (rango de microondas) es el agua en todas sus formas (lluvia, neblina, y la contenida en el cuerpo h humano). ) Encontramos absorción intermedia en rocas, ladrillos y concreto, dependiendo de la composición de los materiales. Lo mismo funciona para la madera, árboles y otros materiales; su comportamiento es fundamentalmente determinado por su concentración de agua. En el contexto de la absorción de las ondas de radio, los seres humanos y muchos animales pueden ser vistos como recipientes de agua, en consecuencia como materiales absorbentes prominentes. Refracción de ondas 51 52 8 05/10/2010 Coneptos básicos de la propagación de RF Coneptos básicos de la propagación de RF Refracción Refrexión Las ondas de radio están expuestas a sufrir una desviación en su trayecto cuando atraviesan de un medio a otro con densidad distinta, en comunicaciones este efecto sucede cuando las ondas electromagnéticas atraviesan las distintas capas de la atmósfera variando su trayectoria un cierto ángulo. Todos conocemos la reflexión de las ondas visibles en espejos o superficies de agua. Para la radiofrecuencia, la reflexión ocurre principalmente en el metal, pero también en superficies de agua y otros materiales con propiedades similares. El principio básico de la reflexión es que una onda se refleja con el mismo ángulo con el que impacta una superficie. Ángulo de incidencia = Ángulo de reflexión Reflexión de una onda 53 Coneptos básicos de la propagación de RF 54 Coneptos básicos de la propagación de RF Refrexión Refrexión Dos casos importantes de reflexión: en una superficie plana y en una superficie parabólica. Las ondas de radio atraviesan las distintas capas de la atmósfera, desde la tropósfera hasta la ionosfera y si los índices de refractividad de cada una de estas capas son muy diferentes. Estos distintos índices pueden llegar a producir reflexión total, siendo las frecuencias de VHF y superiores las más propensas a esta desviación de trayectoria. Reflexión en Plano Reflexión en una parábola 55 Coneptos básicos de la propagación de RF 56 Coneptos básicos de la propagación de RF Dispersión Difracción El efecto de la dispersión ocurre cuando las ondas de radio atraviesan alguna masa de electrones o pequeñas gotas de agua en áreas suficientemente grandes. En comunicaciones de radio es importante mencionar que la dispersión de la señal generada por lluvia depende de la comparación del tamaño de la longitud de onda de la señal y el diámetro de la gota de lluvia. Si el diámetro de la gota de lluvia es menor a la longitud de onda la atenuación será pequeña, pero ésta se acrecentará si el diámetro de la gota supera a la longitud de onda de al señal. Generalmente la refracción se produce solamente a determinados ángulos. Este efecto es similar al que ocurre a la luz intentando atravesar la niebla. Como consecuencia del principio de Huygens, cada punto de un obstáculo genera un nuevo frente de ondas, el nuevo frente puede rodear un obstáculo. Es proporcional a la longitud de onda Las ondas mas largas se difractan más, dando la impresión de “voltear la esquina” Las radios AM que operan en 1000 kHz (l= 300 m) no requieren línea de vista y se propagan a gran distancia 57 58 9 05/10/2010 Coneptos básicos de la propagación de RF Coneptos básicos de la propagación de RF Difracción Interferencia Las ondas con una misma frecuencia y una relación de fase (posición relativa de las ondas) constante pueden anularse entre sí, de manera de la suma de una onda con otra puede resultar en cero. La difracción es un fenómeno basado en el hecho de que las ondas no se propagan en una sola dirección. Ocurre cuando las ondas encuentran un obstáculo en su trayectoria y divergen en muchos haces. La difracción implica que las ondas pueden “dar la vuelta” en una esquina. Para que esto ocurra en su forma más pura (anulación máxima o amplificación completa), las ondas deben tener exactamente la misma longitud de onda y energía, y una relación de fase específica y constante. En tecnología inalámbrica, la palabra interferencia se usa típicamente en un sentido más amplio, como perturbación debido a otras emisiones de radio frecuencia. 59 Propagación de las ondas electromagnéticas 60 Propagación de las ondas electromagnéticas Característica de la Propagación de RF Las ondas de radio son ondas electromagnéticas que poseen una componente eléctrica y una componente magnética y como tales, están expuestas a ciertos fenómenos los cuales son capaces de modificar el patrón de propagación de las ondas. En condiciones especiales y con una atmósfera uniforme (vacío), las ondas de radio tienden a desplazarse en línea resta, esto quiere decir que siempre que haya una línea de vista entre emisor y el receptor, este tipo de comunicaciones será bastante eficiente, pero si se requiere de una comunicación de un punto a otro, el cual se encuentra más allá del horizonte, tendremos que tomar en cuenta las distintas condiciones de propagación y las adecuadas frecuencias para su correcta comunicación. Los modos de propagación más frecuentes son: •La propagación ionosférica. •La propagación troposférica u onda directa. •La propagación por onda de superficie. 61 Propagación de las ondas electromagnéticas 62 Propagación por onda de superficie • Cuando la frecuencia de la señal se encuentra en las bandas más bajas, se puede utilizar la característica de la superficie terrestre de difractar las ondas a medida que se propagan, por lo que la señal será capaz de seguir la curvatura de la tierra. • En este caso, se debe tener en cuenta la conductividad del suelo por el que transcurrirá nuestra señal: si la transmisión se realiza sobre la superficie del mar, con una conductividad muy alta, se podrán cubrir miles de kilómetros; en ambientes urbanos, donde existen numerosos obstáculos verticales de diferentes alturas, alturas las ondas sufrirán una rápida atenuación. Característica de la Propagación de RF Para realizar comunicaciones seguras entre dos puntos lejanos y sin salir de la atmósfera, se utilizan frecuencias denominadas altas frecuencias (High frecuency) ó HF que van de 3MHz a los 30MHz ya que estas frecuencias son reflejadas en la atmósfera y regresan a la tierra a gran distancia. Las frecuencias en orden de VHF, UHF y SHF no se reflejan en la atmósfera salvo en ciertas circunstancias, circunstancias es por esto que sólo son útiles en comunicaciones de punto a punto y satelitales. No se podría hablar de comunicación por medio de ondas de radio a grandes distancias si no se toman ciertos fenómenos en cuenta como lo son la refracción, reflexión, dispersión y difracción los cuales hacen posible la comunicación entre dos puntos más allá del horizonte. 63 64 10 05/10/2010 Propagación por onda de superficie Propagación por onda directa Característica eléctricas de mar y tierra Emisor Tierra Las ondas de superficie siguen la curvatura de la tierra. Su alcance depende de la naturaleza del suelo, de la frecuencia y de la potencia de emisión. • Por encima de los 30MHz, la longitud de onda de las señales es tan pequeña que puede atravesar incluso las capas superiores de la ionosfera. Esto supone que, para propagar señales de VHF y superiores deberemos utilizar un enlace directo sin obstáculos, garantizando el contacto visual entre el emisor y el receptor. Como las señales de televisión se encuentran siempre dentro de este grupo, la onda directa será el único método efectivo en la propagación de dichas ondas. Parte de la energía es absorbida por el suelo (provoca corrientes inducidas). La absorción es mayor con polarización horizontal (mejor usar polarización vertical). Dato para el mar: La conductividad de la superficie es un factor muy importante (a mayor conductividad mayor alcance) Conductividad de un terreno boscoso = 8. 10-3 S/m Conductividad de un suelo urbano = 1. 10-3 S/m Conductividad del agua salada = 5 S/m S = Siemens = Ω-1 ONDA DIRECTA Tx Rx EMISOR RECEPTOR 65 Propagación por onda directa 66 Propagación por onda directa • Si queremos emitir alguna señal de forma que atraviese la ionosfera, como el caso de las comunicaciones vía satélite, habrá que elegir frecuencias de transmisión elevadas, puesto que estás presentarán una menor atenuación en la ionosfera, así como un menor refracción (desviación sobre la dirección inicial) al atravesarla. Para esta aplicación, se suelen utilizar frecuencias de SHF y EHF, denominadas habitualmente frecuencias de microondas. Altura del emisor Altura del receptor ht hr dt dr d La distancia máxima entre un transmisor y un receptor sobre terreno promedio se puede aproximar por d = dt + dr = 2ht + 2ht = 17ht +17hr d(max)=La distancia máxima entre un transmisor y un receptor (Kilómetros) ht= altura de la antena transmisora (metros) hr= altura de la antena receptora (metros) 67 Ionosfera 68 Ionosfera Se extiende de los 85 a 700Km de altura. Contribuye esencialmente en la reflexión de las ondas de radio emitidas desde la superficie terrestre posibilitando que estás puedan viajar grandes distancias sobre la Tierra, gracias a las partículas de iones (cargadas de electricidad ) presentes en esta capa. Dependiendo del grado de ionización de cada nivel de altura pueden encontrarse picos de ionización en capas denominadas “D”, “E”, “F1”, y “F2”. El grado de ionización es producido directamente por la acción solar. Una actividad anómala del Sol puede alterar las propiedades de la ionosfera y su capacidad de reflejar la sondas de radio terrestres. 71 72 11 05/10/2010 Ionosfera Ionosfera Capa D Capa de Absorción situada entre 50 y 80Km de altura. Sólo aparece durante el día y es sumamente absorbente para frecuencias por debajo de unos 10MHz, protegiendo la superficie terrestre de gran parte de la radiación espacial. Sus características varían según el número de manchas solares o las variaciones del campo magnético terrestre. Capa F Caracterizada por su capacidad de reflejar las ondas electromagnéticas de una determinada frecuencia que la atraviesa. Situada entre 300 y 500Km de altura. Las ondas deben tener: •Una frecuencia inferior a 10MHz •Una frecuencia superior a 3MHz •Se pueden conseguir propagaciones de hasta 4000Km por cada salto Capa E Capa de Gas Ionizado entre 90 y 160Km de altura. Refleja ondas de radio de frecuencia media (MF). Varía según las horas del día. Día: Más cercana a la tierra Noche: Más lejana a la tierra. Consecuencia: Distancia de Propagación 73 Propagación por reflexión ionosférica 74 Propagación por reflexión ionosférica • Para las bandas MF y HF la ionosfera se comporta como un espejo, reflejándose en capas más altas cuanto mayor es la frecuencia. Si direccionamos el frente de ondas hacia arriba, podremos calcular la zona en la que la señal reflejada llegará a la tierra a partir del ángulo de emisión. Si utilizamos este sistema, deberemos tener en cuenta que durante la noche la ionosfera disminuye notablemente su espesor. Así, cuando transmitimos una señal de 5MHz por el día, la señal electromagnética se refleja a unos 50Km de altura; mientras que, durante la noche, la misma onda puede elevarse unos 200Km antes de ser dirigida hacia la Tierra, por lo que la zona a cubrir está mucho más lejana. Si se desea cubrir tanto la zona p próxima al emisor como otra más lejana, se pueden utilizar conjuntamente las propagaciones por onda de superficie en la zona más cercana y por reflexión ionosférica en al zona más distante. 75 Propagación de las ondas electromagnéticas Propagación por reflexión ionosférica Capas de la ionosfera Características eléctricas en el espacio Capa D (69-90 Km) Su ionización varia en función del ángulo cenital del sol. Solo existe durante el día. Refleja frecuencias bajas. Atenúa las frecuencias medias y altas En principio el aire es un medio transparente a las oem. Determinados fenómenos pueden producir la ionización del aire y hacer que se comporte como un medio opaco a las oem. Capa E (90-130 Km) Es muy regular en su comportamiento y formación. Permite la propagación de ondas HF a distancias de hasta 1600 Km durante el día y superiores durante la noche. IONOSFERA: Capa ionizada de la atmósfera, capaz de reflejar oem (se encuentra a 60 - 400 Km) de altitud Ionosfera E R Capa F (150 - 450 Km) Se subdivide en dos. Capa F1 (150 - 250 Km) existe principalmente durante el día. A veces puede reflejar ondas HF. Lo mas habitual es que las ondas que penetran en la capa E, atraviesen también la F1 (atenuación por absorción) y se reflejen en la F2. E R Reflexión simple 76 Capa F2 (300 - 450 Km) Es la principal capa reflectora para comunicaciones HF de larga distancia. Conserva su ionización durante la noche. Durante la noche las capas F1 y F2 se funden en una sola capa a unos 300 -400 Km de altura. Reflexión doble 77 78 12 05/10/2010 Trayectoria de las ondas electromagnéticas Propagación por reflexión ionosférica Onda de escape Capas de la ionosfera 500 400 CAPA F2 [Km] [Km] [Km] 500 500 400 400 300 CAPA F2 200 CAPA F1 Se propaga paralelamente al suelo Onda directa Onda reflejada Onda de superficie Onda reflejada Se refleja en la superficie terrestre E CAPA F 300 Onda de superficie Onda ionosférica Ondas de tierra Onda directa R Camino directo 300 O d iionosférica Onda fé i Se refleja en la ionosfera R 200 CAPA F1 CAPA E 100 CAPA D Verano (día) CAPA D Invierno (día) Se pierde en el espacio. CAPA E CAPA E 100 Onda de escape 200 Nota. Alguna veces se usa el "rebote lunar". 100 A partir de una frecuencia crítica (aprox. 30 MHz) la onda es capaz de atravesar la ionsfera. Depende del ángulo de incidencia (ángulo crítico para cada frecuencia). Invierno y verano (noche) 79 80 Trayectoria de las ondas electromagnéticas Trayectoria de las ondas electromagnéticas En las zonas de silencio no llegan ni las ondas de superficie ni las ionosféricas. Desvanecimiento o "Fading": Debido a que las ondas pueden seguir distintos caminos y pueden llegar desfasadas (p.e. una positiva y otra negativa) la señal puede desaparecer en determinados puntos de teórica cobertura. Zonas de silencio Desvanecimiento o "Fading" (entre una onda de superficie y otra reflejada) E Puede producirse entre dos ondas reflejadas o entre una onda de superficie y otra reflejada. Desvanecimiento o "Fading" (entre dos ondas reflejadas) 81 Propagación de las ondas de radio y TV 82 Propagación de las ondas de radio y TV Las ondas de radio y televisión son ondas electromagnéticas que se propagan por el aire con una velocidad igual a la de la luz (300.000km/s). Cuando una antena emite ondas de radio, crea a su alrededor un campo electromagnético cuya intensidad es resultado de la intensidad eléctrica que circula por la antena. A medida que se aleja la onda electromagnética de la antena, está sufre una atenuación proporcional a su frecuencia, frecuencia de modo que, que cuanto mayor sea la frecuencia de al señal, mayor será la atenuación que sufra la señal. Las ondas que se emiten por una antena se pueden clasificar según el tipo de propagación en: ¾ Ondas de tierrra Se propagan por la superficie de la tierra. ¾ Ondas espaciales Son las ondas propagadas al espacio y que constituyen la base de las telecomunicaciones. La atenuación de este tipo de ondas es menor que en el caso de las ondas terrenas. El sistema de transmisión que se utiliza depende del tipo de frecuencia que se quiera transmitir. Así, por ejemplo: 9Emisiones de onda larga (LW:150 a 285 KHz): Este tipo de emisiones se realiza generalmente por ondas de superficie. Estas frecuencias corresponden a la banda LF(30300KHz) y la longitud de onda es superior al kilómetro. Con la transmisión por ondas de superficie se pueden conseguir distancias de cobertura inferiores a 1000Km. 83 84 13 05/10/2010 Propagación de las ondas de radio y TV Propagación de las ondas de radio y TV 9Emisiones de onda media (MW:552 a 1060 KHz): Este tipo de señales puede realizarse por ondas de superficie y por ondas espaciales. La atenuación de las ondas que se transmiten por la superficie es mayor que en el caso de las emisiones de onda larga. Durante el día, la propagación de esta clase de ondas se realiza por ondas de superficie con coberturas del orden de cientos de kilómetros y, durante la noche, la propagación de este tipo de ondas se produce por efecto de la ionosfera, llegando a alcanzar distancias del orden de 1000Km. 9Emisiones de onda corta (SW: 2,3 a 26,1 MHz): La radiación de estas ondas se realiza mediante ondas espaciales, debido a la atenuación que sufren las ondas de superficie cuando se trabaja con frecuencias tan altas. Este tipo de transmisión se han utilizado durante mucho tiempo para las emisiones de programas de radio a otros países debido a su gran alcance. Hoy en día, con la llegada de las transmisiones vía satélite, este tipo de transmisiones de radio casi no se emplea. 85 Propagación de las ondas de radio y TV 86 Propagación de las ondas de radio y TV 9Emisiones de onda ultracortas: Bandas I: 47 a 68 MHz Bandas II: 87,5 a 108 MHz Bandas III: 75 a 230 MHz Bandas IV y V: 470 a 850 MHz Las emisiones de ondas ultracortas corresponden a la banda de UHF y VHF. En estas bandas se encuentran los servicios de radiodifusión en FM y televisión terrena. La propagación se realiza por trayectos rectilíneos que se pueden ver alterados por efectos de la refracción atmosférica. La difracción posibilita, en ciertos casos, la recepción sin visibilidad directa. La cobertura se encuentra limitada a algunas decenas de kilómetros, si bien, en ciertos casos es posible obtener alcances del orden de 300km mediante difusión troposférica, siempre y cuando se emplean potencias muy altas. 9Microondas (10,95 a 12,5GHz) Esta banda está comprendida dentro de la banda SHF y está destinada a la difusión de programas de televisión por satélite. En este caso, las antenas que se emplean son muy directivas y se encuentran apuntando hacia los emisores que se hallan en los satélites. Las señales que se utilizan en televisión utilizan la banda de VHF y UHF y se transmiten de forma rectilínea y por visión directa, ya que las ondas de superficie sufren una atenuación considerable. Para que se pueda realizar la transmisión, debe existir visión directa entre al antena de emisión y la antena de recepción. 87 88 Efectos dependientes de la frecuencia Indice Estos efectos están presentes en mayor o menor grado dependiendo de la frecuencia de la onda. Las fórmulas para medir estos efectos son complejas por naturaleza (por ejemplo cuando se busca una absorción por resonancia). Sin embargo algunas reglas básicas resultan muy útiles para entender y planear la propagación de señales de radio: • Conceptos previos • Onda Electromagnética • Parámetros de una onda electromagnética (OE) • Espectro p electromagnético g ¾ Con frecuencias más bajas, bajas el alcance es mejor. mejor • Propagación ¾ Con frecuencias más altas, se trasmite una mayor cantidad de datos, pero menor alcance. • Efectos dependientes de la frecuencia ¾ Con frecuencias más bajas, la señal es más penetrante y rodea más obstáculos (las ondas son guiadas por la superficie • Propagación radial en espacio libre terrestre y reflejadas por las capas ionosféricas) ¾ A frecuencias altas las ondas de radio se comportan como la luz, por lo que se requiere línea visual entre el transmisor y el receptor. 89 90 14 05/10/2010 Efectos dependientes de la frecuencia Indice • Conceptos previos • Onda Electromagnética • Parámetros de una onda electromagnética (OE) • Espectro p electromagnético g • Propagación • Efectos dependientes de la frecuencia • Propagación radial en espacio libre 91 Propagación radial en espacio libre 92 Pérdida de espacio libre (FSL) En la sección siguiente damos una mirada más cercana a cuatro efectos y conceptos relevantes en la propagación de señales de radio: Cuando una onda se propaga en el espacio, se esparce sobre una superficie cada vez mayor a medida que se aleja del transmisor. La potencia que se puede capturar de la onda disminuye con el cuadrado de la distancia al transmisor por este efecto puramente geométrico. 1. Pérdida en espacio libre (FSL, por sus siglas en inglés): el hecho de que una onda de radio pierde potencia incluso en una línea recta en el vacío, simplemente porque se esparce sobre una mayor g en el espacio p a medida q que se aleja j del transmisor. región A esto se le denomina "Pérdida en el Espacio Libre", FSL en inglés 2. Zonas de Fresnel: el hecho de que las ondas de radio viajan en una amplia zona en forma de cigarro, más que en una simple línea recta. 3. Línea de vista: como se define para ondas de radio, algo diferente que para la luz. 4. Efecto de trayectoria múltiple; el hecho de que una señal puede encontrar varias vías para llegar a un receptor. 93 Pérdida de espacio libre (FSL) 94 Pérdida de espacio libre (FSL) La pérdida de potencia de las ondas electromagnéticas en el espacio libre es proporcional al cuadrado de la distancia y también proporcional al cuadrado de la frecuencia. La potencia de una señal de radio se atenúa en el vacío o en el aire. La pérdida de espacio libre mide la dispersión de la potencia en un espacio libre sin obstáculo alguno a medida que la onda se esparce sobre una superficie mayor. La señal de radio se debilita mientras se expande en una superficie esférica. La atenuación en el espacio libre medida decibeles (dB), viene dada por: FSL(dB ) = 20 log10 (d ) + 20 log10 ( f ) + K d = distancia f = frecuencia K =constante que depende de las unidades usadas para d y f Si d se mide en metros, f en Hz, la fórmula queda: FSL(dB ) = 20 log10 ( d ) + 20 log10 ( f ) − 147,5 95 96 15 05/10/2010 Pérdida de espacio libre (FSL) Zonas de Fresnel Si expresamos la distancia en kilómetros y la frecuencia en GHz la fórmula es: Debemos entender como la primera zona de Fresnel, aquella que debe mantenerse libre de obstáculos para poder transmitir la máxima potencia desde A a B. FSL(dB ) = 20 log10 (d ) + 20 log10 ( f ) + 92,4 Regla práctica para una red inalámbrica de 2,4 GHz. Se pierden: ¾100 dB en el primer kilómetro ¾se reduce en 6 dB cada vez que se duplica esa distancia. Un enlace de 2 km tiene una pérdida de 106 dB, mientras que en 4 km es de de 112 dB. D=distancia [m] F= frecuencia [GHz] R=radio [m] 97 Zonas de Fresnel 98 Zonas de Fresnel Si existen obstáculos dentro de la zona de Fresnel, éstos introducirán pérdidas de obstrucción. La primera zona de Fresnel es un volumen alrededor de la línea recta que une el transmisor con el receptor, por lo que hay que tener en cuenta los obstáculos por debajo pero también a los lados. La fórmula para el radio máximo de la primera zona de Fresnel es: d = distancia [km] f = frecuencia [Ghz] r = radio [m] Un enlace de radio de 9.6 km requerirá una zona libre de obstáculos en un radio de r=17 r=17,32 vista. 32 metros bajo la línea de vista En la práctica nos conformamos con librar sólo el 60% de la primera zona de Fresnel, por lo que en el caso anterior es suficiente despejar una zona de 10,4 m en el punto medio de la trayectoria, y menos aún en los extremos. En realidad es necesario comprobar el despeje del 60% de la primera zona de Fresnel a lo largo de toda la trayectoria de propagación. r1= radio de la primera zona de Fresnel [m] d= d1+d2 [m] λ=longitud de onda [m] 100 99 Línea de vista Multitrayectoria Para la luz visible, la línea de vista es un concepto fácil de entender y comprobar. Sin embargo, las cosas son un poco más complejas para los enlaces de radio debido a que no son visibles a nuestros ojos. En general, se necesita tener una línea visual (óptica) para un radio enlace. Adicionalmente, es necesario un “poco de espacio alrededor”, definido por las Zonas de Fresnel. Una onda de radio puede llegar al receptor a través de múltiples trayectorias por reflexión. Los retrasos, la interferencia y la modificación parcial de las señales pueden causar problemas en la recepción. Sin embargo, los efectos de trayectoria múltiple no son todos malos y a veces es posible aprovecharlos para superar los limites de la p de suficiente p potencia. línea de vista cuando se dispone Un enlace sin línea de vista puede ser posible con tecnologías inalámbricas suficientemente robustas frente a los efectos de trayectoria múltiple, que permitan contribuir a la transmisión de señales. Línea de vista (radio) vs. línea visual (óptica) 101 102 16
