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Sistemas de radiocomunicaciones

sistema de radiocomunicacionesEn este segundo tema, abordamos los diferentes conceptos y sistemas fundamentales  en la transmisi贸n de informaci贸n ( anal贸gica o digital ).

La radiocomunicaci贸n  es el proceso para enviar  informaci贸n entre dos o m谩s puntos por medio ondas radioel茅ctricas.

Podemos considerar que el inicio de todo el desarrollo empez贸 un 14 de mayo de 1897,  cuando Marconi env铆a la primera comunicaci贸n por radio  por  mar abierto, desde el canal de Bristol (Inglaterra) a Penarth, ( Gales ), separando una distancia de 6 km.

Empieza el  desarrollo de la radio a nivel comercial, para luego llegar  la implantaci贸n de la TV, los lanzamientos de sat茅lites de radiocomunicaciones, la implantaci贸n de la era digital...

Cada uno de los descubrimientos nos ha tra铆do una sociedad mucho mas conectada e informada y mientras algunos sistemas han ca铆do en desuso, como el tel茅grafo, otros han venido a sustituirlos con grandes ventajas.

La ultima  parte del siglo nos trajo las TICs ( Tecnolog铆a de la Informaci贸n y Comunicaciones ) que utilizan los sistemas de radio. Por ejemplo,  Facebook instalado en un smartphone usando la tecnolog铆a 5G.

Hay muchas tecnolog铆as en radio, televisi贸n o telefon铆a, con caracter铆sticas propias que las haces mas adecuadas en  diferentes circunstancias. Algunas de ellas ya no se usan, como el sistema PAL.

Veremos de forma resumida estas tecnolog铆as.

1.  Tipos de Sistemas de radio , televisi贸n y telefon铆a

radio1 ) En radio:

  1.   Anal贸gicos: FM ( Frecuencia Modulada ) , AM ( Amplitud Modulada ), SW ( Onda corta ), LW ( Onda larga ) .
  2.  Digitales: DAB ( Digital Audio Broadcast ).

Aunque el futuro de la radio est谩 en la DAB ( alta calidad de sonido y otros servicios a帽adidos ) y la radio por Internet, la anal贸gica predomina en el espacio radioel茅ctrico.

La AM  comercial , las frecuencias portadoras est谩n comprendidas 526,5 kHz a los  1.606,5 Khz, transmitiendo  una se帽al de voz o musical de baja calidad, con un  ancho de banda de unos 4 kHz. La calidad del sonido no es muy buena y el ruido e interferencias le afecta mucho.

 Son se帽ales de gran alcance debido principalmente a:

a) Las menores p茅rdidas que tiene la banda de med铆a frecuencia (MF)  respecto a las altas frecuencias.

b) Son capaces de seguir la curvatura de la Tierra por la reflexi贸n que ocurre en  la ionosfera.

Sin embargo, la fidelidad del sonido es muy reducida.
La otra banda emplea frecuencias mayores ( banda de VHF ). La banda de FM comercial utiliza las frecuencias de los 87,5 MHz a los 108 MHz, con mejor sonido y posibilidad de emitir dos canales a la vez  (est茅reo). Debido al uso de mayores frecuencias, el alcance es  menor, con receptores algo mas complejos ( ver lo sencillo que puede ser uno para AM si buscamos en Google radio Galena )

En televisi贸n terrestres:2 ) En televisi贸n terrestres:

  1.  Anal贸gicos: PAL,  SECAM, NTSC ( Sistemas reemplazados por los digitales, aunque en algunos pa铆ses se sigue usando ).
    Cada pa铆s ten铆a ( o tiene a煤n ) su propio sistema. Mientras que en la mayor parte de  Am茅rica y Jap贸n , el NTSC era el usado, en Europa, PAL era el sistema donde mayor implantaci贸n ten铆a.
    Las caracter铆sticas canales con un ancho de en UHF. En PAL  la imagen presenta una relaci贸n de aspecto 4:3, usando 625 l铆neas con ancho de banda en UHF de 8 MHz.
  2.  Digitales: DVB-T, ATSC, DMB-T, ISDB-T ( Como antes, varios sistemas para varios pa铆ses. El nuestro es el DVB-T. ). Las diferencias de unos a otros se basan en el ancho de banda, n煤mero de  programas por canal, sistema de sonido, influencia del ruido sobre transmisi贸n, etc. Nos centraremos en el sistema que se usa en Espa帽a, que pasamos a resumir

 La DVB-T (Digital Video Broadcasting Terrestrlal), ampliamente usado en Europa, usa modulaci贸n  COFDM, con sistema de compresi贸n  MPEG-2, sistema de multiplexi贸n para emitir varios programas en el ancho de banda de cada canal (  8 MHz ). El ruido impulsivo afecta mucho a este sistema y si hay escenas de gran movimiento, puede aparecer pixelados.

televisi贸n sat茅lite3 ) En televisi贸n sat茅lite la mayor铆a de los sistemas anal贸gicos han sido sustituidos por sistemas digitales ( DVB-S)

4) Radio digital por sat茅lite.  Gran cobertura con el uso de una 煤nica frecuencia para toda la huella ( zona de cobertura ) y gran calidad . Dada la movilidad impl铆cita a la radio, las antenas son omnidireccionales.  Debido al precio de los receptores, est谩 muy poco implantada.

La mayor铆a de las emisiones de radio digital se toman , hoy por hoy, del mismo receptor que se usa para la TV.
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 telefon铆a m贸vil celular5 ) Sistemas de telefon铆a m贸vil celular:

  1.  Anal贸gica ( la primera generaci贸n ) . Ya no se usa
  2.  Digital:  Las distintas tecnolog铆as ( normalmente denominadas como 2G, 3G, etc. ) refiri茅ndose al orden de la generaci贸n (G). Ahora estamos en la quinta generaci贸n ( 5G)
  3.  M贸vil v铆a sat茅lite. Un tel茅fono satelital  es un m贸vil  con funciones b谩sicas ( voz,  mensajes SMS e  Internet de baja velocidad , actualmente a menos de 10kbps. La conexi贸n es directa al sat茅lite y nos permite tener cobertura en cualquier rinc贸n del mundo. Un ejemplo de su uso es los ascensos al picos altos ( everest ) o traves铆as mar铆timas, entre otros.

 telefon铆a m贸vil radio6) Sistemas de telefon铆a m贸vil radio

  1. Acceso p煤blico: PAMR.
  2. Acceso privado: PMR, TETRA

Hablamos de sistemas terrestres y sat茅lite. Aunque podemos pensar que terrestre es por tierra y sat茅lite es por espacio, hay destacar que un sistema terrestre puede utilizar   un sat茅lite en alguno de los pasos de la transmisi贸n de la se帽al radioel茅ctrica , pero la se帽al final llega al usuario v铆a terrestre, usando una antena terrestre.

En el caso de la se帽al sat茅lite, la se帽al final es recibida por el usuario con una antena que apunta al sat茅lite.

Podemos concluir que en un sistema terrestre, la se帽al se recibe con antenas que apuntan a un repetidor terrestre y en un sat茅lite, la antena apunta a un sat茅lite.

1.1 Rango de frecuencias

 frecuencias

Por orden creciente, tenemos:

Radio AM: desde los  540 kHz a 1.600 kHz.
Radio FM: desde los 87 ,5 MHz a  108 MHz.
Televisi贸n TDT:  desde 470 MHz a 790 MHz ( Reducido ahora por los dividendos digitales )

En Tv sat茅lite hay varias bandas. Por ejemplo en la banda Ku tenemos un rango desde  11.7-12.7 GHz  en recepci贸n ( desde el sat茅lite a tierra )  y  14-17.8 GHz en transmisi贸n ( de la tierra al sat茅lite )

En la  Radio sat茅lite vista anteriormente, el rango empieza en 1.492 MHz y  termina en 1.592 MHz

 

2. Desvanecimiento de la se帽aldesvanecimiento se帽al

Antes hemos comentado que las se帽ales de baja frecuencia tienen mas alcance que las de alta frecuencia ( Ecuaci贸n de transmisi贸n de Friis).

En la imagen de la izquierda tenemos la representaci贸n de las perdidas de las se帽ales respecto a la distancia recorrida, y en verde tenemos las perdidas l贸gicas que tiene esa se帽al al ir avanzando, pero no siempre son tan l贸gicas y nos encontramos con ca铆das abruptas de la se帽al. A este fen贸meno se le denomina desvanecimiento.

Estas ca铆das  de potencia  son dif铆ciles de predecir y dependen de fen贸menos ya vistos en el tema anterior como

  1. Las reflexiones
  2.  La refracci贸n
  3. La difracci贸n
  4. El tiempo atmosf茅rico

No hay soluciones f谩ciles o econ贸micas para este fen贸meno aleatorio, que se le asigna calidad de probabil铆stica. Es dif铆cil controlar c贸mo puede afectar una determinada lluvia, los efectos el茅ctricos en la atm贸sfera ,  obst谩culos fijos o m贸viles en las trayectorias de la se帽al, as铆 como el n煤mero de trayectorias que puede tomar la se帽al desde el origen a destino.

Una de las t茅cnicas es el uso de un ecualizador, por el cual se modifica las amplitudes de las  distintas frecuencias de la se帽al ( variaci贸n de los  coeficientes de Fourier )

3 Se帽ales anal贸gicas versus Digital

se帽ales analogico versus digitalEn el anterior apartado hemos comentado c贸mo han ido desapareciendo los sistemas de transmisi贸n  anal贸gicos respecto a los digitales. 驴 Porque ?.

En general, digitalizar una se帽al tiene una serie de ventajas como la mayor  inmunidad a ruidos e interferencias, sistemas m谩s eficientes, mejor aprovechamiento de la banda, etc.

Veremos las mejoras que hemos conseguido de pasar del sistema de televisi贸n  PAL a la actual  DVB-T

Mientras en PAL tenemos las siguientes caracter铆sticas fundamentales

  1. Reducido n煤mero  de canales  disponibles: las interferencias entre canales de repetidores cercanos hac铆an dif铆cil la reutilizaci贸n de frecuencias, limitando a 6 o 7 el n煤mero de cadenas en toda Espa帽a. Por ejemplo, si en M谩laga , el antiguo UHF ( la  2 ) emplea el canal 40, ninguna provincia cercana lo pod铆a usar, dado que en lugares intermedios habr铆a interferencias por la recepci贸n de dos repetidores cercanos.
  2. Uso ineficiente del ancho de banda de cada canal : Los anteriores canales anal贸gicos ten铆a un ancho de banda de 8 MHz, con la transferencia de la Luminancia ,  el  croma ( color ) y el sonido. efecto doble imagen tv
  3. Escasos servicios extra:  A recordar, el teletexto. Poco mas.
  4. Ruido en la imagen: Se le sol铆a llamar nieve, por la impresi贸n de puntos blancos sobre la imagen, que era debido a un bajo nivel de la se帽al
  5. Doble Imagen: Si la se帽al llegaba por dos caminos diferentes a la antena , supongamos que uno directo y otro rebotando en alguna pared, se produc铆a una doble imagen en la pantalla. En la imagen representamos un receptor con antena y los posibles caminos de una se帽al hasta la llegada a la antena.

 

Estos se remedia gracias a la  televisi贸n digital terrestre (TDT)  donde tenemos las siguientes ventajas:

  1. Mas contenidos en el mismo canal: Gracias las t茅cnicas de compresi贸n, como el MPEG-2, en el mismo ancho de banda ( 8 MHz) , podemos transmitir   4 canales de TV y varios canales
    de radio.
  2. Imagen de mayor calidad: Desaparece la nieve y la doble imagen. La imagen de mayor calidad en este sentido pero si la se帽al viene d茅bil, podemos encontrar pixelados ( congelaci贸n de imagen ) o incluso la desaparici贸n total de la imagen
  3. Sonido  con calidad CD y multicanal:  Gran calidad de sonido y en varios idiomas. Podemos ver nuestra serie favorita en idioma original
     

4 Modulaciones empleadas

QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying)

 

Hemos vistos la modulaci贸n en amplitud ( AM)  y en frecuencia (FM), usadas en radio. Con la aparici贸n de la televisi贸n digital, tanto terrestre como por v铆a sat茅lite, aparece una nueva modulaci贸n que se llama en fase.

En  esta modulaci贸n, lo que vamos a retocar ( modular ) va a ser la fase de la se帽al portadora, de forma que haremos que esa portadora empieze en un punto determinado, por ejemplo a 90潞, a 180 潞, etc.

Uno de los mas sencillos es el usado en la TV sat茅lite, que emplea el denominado QPSK (Quadrarure Phase Shift Keying) y cuya representaci贸n en el diagrama de constelaci贸n (s铆mbolos) lo tenemos a la izquierda.

En este caso vemos que cada s铆mbolo ( punto del diagrama que contiene la informaci贸n digital) est谩 desfasada 90潞 de otro s铆mbolo y adem谩s, podemos ver que, evidentemente, para poder representar 4 s铆mbolos, hemos necesitado 2 bits.

Pero si observamos los s铆mbolos, vemos entre vecinos, s贸lo cambia un bit. Esto es el c贸digo de Gray.

Aparte de todo ello, se establecen sistemas inform谩ticos para evitar evitar errores en la transmisi贸n, entre ellos el Reed-Salomon y el Viterbi.

  Si queremos mas informaci贸n se recurren al sistema 8-QAM, donde se modula en amplitud y en fase. Ahora nuestro diagrama de constelaci贸n tiene 8 s铆mbolos, usando 3 bits. Vemos como el 001 empieza en 90潞 ( modulaci贸n en fase ) y el 101 tambi茅n empieza en 90潞, pero con menor amplitud ( modulaci贸n AM ). Todo esto ser谩 desarrollado con mayor profundidad en  la Televisi贸n digital.

n 8-QAM,

EJEMPLOS de DIAGRAMAS de CONSTELACIONES

 

EJEMPLOS DIAGRAMAS CONSTELACIONES

Representamos en la parte izquierda tres diagramas obtenidos con el medidor de campo RANGERNeo 2 de Promax

El 1潞  corresponde a un diagrama de constelaci贸n 8PSK para DVB-S2, que corresponde con la TV sat茅lite de alta definici贸n. Vemos puntos muy separados donde la modulaci贸n se ha hecho por modulacion de fase obteniendo 8 s铆mbolos

 

 

En 2潞 caso tenemos el diagrama de constelaci贸n 64QAM usado en la televisi贸n por cable ( DVB-C). Hablamos de un sistema QAM, por tanto hay modulaci贸n en fase y amplitud.

Tenemos muchos mas puntos, mas informaci贸n, pero al estar mas cerca uno de otros, hay mas posibilidad de errores

 

 

3潞 Por 煤ltimo, una modulaci贸n 256QAM empleado en la televisi贸n digital terrestre de alta definici贸n

 

Dise帽o PCB Principios b谩sicos de antenas

Ciclo de Grado Medio Instalaciones de Telecomunicaciones. Ies Mare Nostrum. M谩laga