Sistemas de radiocomunicaciones

En este segundo tema abordaremos,  de forma resumida,  los diferentes conceptos y sistemas fundamentales  en la transmisión de información ( analógica o digital ).

La radiocomunicación  es el proceso para enviar  información entre dos o más puntos por medio ondas radioeléctricas.

Podemos considerar que el inicio de todo el desarrollo empezó un 14 de mayo de 1897,  cuando Marconi envía la primera comunicación 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 implantación de la TV, los lanzamientos de satélites de radiocomunicaciones, la implantación de la era digital...

Cada uno de los descubrimientos nos ha traído una sociedad mucho mas conectada e informada y mientras algunos sistemas han caído en desuso, como el telégrafo, otros han venido a sustituirlos con grandes ventajas.

La ultima  parte del siglo nos trajo las TICs ( Tecnología de la Información y Comunicaciones ) que utilizan los sistemas de radio. Por ejemplo,  Facebook instalado en un smartphone usando la tecnología 5G.

Hay muchas tecnologías en radio, televisión o telefonía, con características propias,  que las haces mas o menos adecuadas según las  circunstancias de trabajo.

Muchas de las tecnologías analógicas ya no se usan, como el sistema de televisión  PAL.

Veremos de forma resumida estas tecnologías.

1.  Tipos de Sistemas de radio , televisión y telefonía

1 ) En radio:

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

Aunque el futuro de la radio está en la DAB ( alta calidad de sonido y otros servicios añadidos ) y la radio por Internet, la analógica predomina en el espacio radioeléctrico.

La AM  comercial , las frecuencias portadoras están comprendidas 526,5 kHz a los  1.606,5 Khz, transmitiendo  una señal 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 señales de gran alcance debido principalmente a:

a) Las menores pérdidas que tiene la banda de medía frecuencia (MF)  respecto a las altas frecuencias.

b) Son capaces de seguir la curvatura de la Tierra por la reflexión que ocurre en  la ionosfera.

Sin embargo, la fidelidad del sonido es muy reducida.
La banda de FM comercial utiliza las frecuencias de los 87,5 MHz a los 108 MHz, ( dentro de la banda VHF ) con mejor sonido y posibilidad de emitir dos canales a la vez  (estéreo). 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" )

2 ) En televisión terrestres:

1.  Analógicos: PAL,  SECAM, NTSC ( Sistemas reemplazados por los digitales, aunque en algunos países se sigue usando ).
   Cada país tenía ( o tiene aún ) su propio sistema. Mientras que en la mayor parte de  América y Japón , el NTSC era el usado, en Europa, PAL era el sistema donde mayor implantación tenía.
   En el sistema PAL  la imagen presenta una relación de aspecto 4:3, usando 625 líneas con ancho de banda en UHF de 8 MHz.
2.  Digitales: DVB-T, ATSC, DMB-T, ISDB-T ( Como antes, varios sistemas para varios países. El nuestro es el DVB-T. ). Las diferencias de unos a otros se basan en el ancho de banda, número de  programas por canal, sistema de sonido, influencia del ruido sobre transmisión, etc. Nos centraremos en el sistema que se usa en España, que pasamos a resumir

 La DVB-T (Digital Video Broadcasting Terrestrlal), ampliamente usado en Europa, usa modulación  COFDM, con sistema de compresión  MPEG-2, sistema de multiplexión 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.

3 ) En televisión satélite la mayoría de los sistemas analógicos han sido sustituidos por sistemas digitales ( DVB-S)

4) Radio digital por satélite. Tiene una gran cobertura con el uso de una única frecuencia para toda la huella ( zona de cobertura ) y gran calidad . Dada la movilidad implícita a la radio, las antenas son omnidireccionales.  Debido al precio de los receptores, está muy poco implantada.

La mayoría de las emisiones de radio digital se toman , hoy por hoy, del mismo receptor que se usa para la TV.
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5 ) Sistemas de telefonía móvil celular:

1.  Analógica ( la primera generación ) . Ya no se usa
2.  Digital:  Las distintas tecnologías ( normalmente denominadas como 2G, 3G, etc. ) refiriéndose al orden de la generación (G). Ahora estamos en la quinta generación ( 5G)
3.  Móvil vía satélite. Un teléfono satelital  es un móvil  con funciones básicas ( voz,  mensajes SMS e  Internet de baja velocidad , actualmente a menos de 10kbps. La conexión es directa al satélite y nos permite tener cobertura en cualquier rincón del mundo. Un ejemplo de su uso es los ascensos al picos altos ( everest ) o travesías marítimas, entre otros.

 6) Sistemas de telefonía móvil radio

1. Acceso público: PAMR.
2. Acceso privado: PMR, TETRA

En el caso de la señal satélite, la señal final es recibida por el usuario con una antena que apunta al satélite.

Podemos concluir que en un sistema terrestre, la señal se recibe con antenas que apuntan a un repetidor terrestre y en un satélite, la antena apunta a un satélite.

1.1 Rango de 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.
Televisión TDT:  desde 470 MHz a 790 MHz ( Reducido ahora por los dividendos digitales )

En Tv satélite hay varias bandas. Por ejemplo en la banda Ku tenemos un rango desde  11.7-12.7 GHz  en recepción ( desde el satélite a tierra )  y  14-17.8 GHz en transmisión ( de la tierra al satélite )

En la  Radio satélite vista anteriormente, el rango empieza en 1.492 MHz y  termina en 1.592 MHz

 

2. Desvanecimiento de la señal

Antes hemos comentado que las señales de baja frecuencia tienen mas alcance que las de alta frecuencia ( Ecuación de transmisión de Friis).

En la imagen de la izquierda tenemos la representación de las perdidas de las señales respecto a la distancia recorrida, y en verde tenemos las perdidas lógicas que tiene esa señal al ir avanzando, pero no siempre son tan lógicas y nos encontramos con caídas abruptas de la señal. A este fenómeno se le denomina desvanecimiento.

Estas caídas  de potencia  son difíciles de predecir y dependen de fenómenos ya vistos en el tema anterior como

1. Las reflexiones
2.  La refracción
3. La difracción
4. El tiempo atmosférico

3 Señales analógicas versus Digital

En el anterior apartado hemos comentado cómo han ido desapareciendo los sistemas de transmisión  analógicos respecto a los digitales. ¿ Porque ?.

En general, digitalizar una señal tiene una serie de ventajas como la mayor  inmunidad a ruidos e interferencias, sistemas más eficientes, mejor aprovechamiento de la banda, etc.

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

Mientras en PAL tenemos las siguientes características fundamentales

1. Reducido número  de canales  disponibles: las interferencias entre canales de repetidores cercanos hacían difícil la reutilización de frecuencias, limitando a 6 o 7 el número de cadenas en toda España. Por ejemplo, si en Málaga , el antiguo UHF ( la  2 ) emplea el canal 40, ninguna provincia cercana lo podía usar, dado que en lugares intermedios habría interferencias por la recepción de dos repetidores cercanos.
2. Uso ineficiente del ancho de banda de cada canal : Los anteriores canales analógicos tenía un ancho de banda de 8 MHz, con la transferencia de la Luminancia ,  el  croma ( color ) y el sonido.
3. Escasos servicios extra:  A recordar, el teletexto. Poco mas.
4. Ruido en la imagen: Se le solía llamar nieve, por la impresión de puntos blancos sobre la imagen, que era debido a un bajo nivel de la señal
5. Doble Imagen: Si la señal llegaba por dos caminos diferentes a la antena , supongamos que uno directo y otro rebotando en alguna pared, se producía una doble imagen en la pantalla. En la imagen representamos un receptor con antena y los posibles caminos de una señal hasta la llegada a la antena.

 

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

1. Mas contenidos en el mismo canal: Gracias las técnicas de compresión, 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 señal viene débil, podemos encontrar pixelados ( congelación de imagen ) o incluso la desaparición 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

 

Hemos vistos la modulación en amplitud ( AM)  y en frecuencia (FM), usadas en radio. Con la aparición de la televisión digital, tanto terrestre como por vía satélite, aparece una nueva modulación que se llama en fase.

En  esta modulación, lo que vamos a retocar ( modular ) va a ser la fase de la señal portadora, de forma que haremos que esa portadora empieze en un punto determinado, por ejemplo a 90º, a 180 º, etc.

Uno de los mas sencillos es el usado en la TV satélite, que emplea el denominado QPSK (Quadrarure Phase Shift Keying) y cuya representación en el diagrama de constelación (símbolos) lo tenemos a la izquierda.

En este caso vemos que cada símbolo ( punto del diagrama que contiene la información digital) está desfasada 90º de otro símbolo y además, podemos ver que, evidentemente, para poder representar 4 símbolos, hemos necesitado 2 bits.

Pero si observamos los símbolos, vemos entre vecinos, sólo cambia un bit. Esto es el código de Gray.

Aparte de todo ello, se establecen sistemas informáticos para evitar evitar errores en la transmisión, entre ellos el Reed-Salomon y el Viterbi.

  Si queremos mas información se recurren al sistema 8-QAM, donde se modula en amplitud y en fase. Ahora nuestro diagrama de constelación tiene 8 símbolos, usando 3 bits. Vemos como el 001 empieza en 90º ( modulación en fase ) y el 101 también empieza en 90º, pero con menor amplitud ( modulación AM ). Todo esto será desarrollado con mayor profundidad en  la Televisión digital.

EJEMPLOS de DIAGRAMAS de CONSTELACIONES

 

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

El 1º  corresponde a un diagrama de constelación 8PSK para DVB-S2, que corresponde con la TV satélite de alta definición. Vemos puntos muy separados donde la modulación se ha hecho por modulacion de fase obteniendo 8 símbolos

 

 

En 2º caso tenemos el diagrama de constelación 64QAM usado en la televisión por cable ( DVB-C). Hablamos de un sistema QAM, por tanto hay modulación en fase y amplitud.

Tenemos muchos mas puntos, mas información, pero al estar mas cerca uno de otros, hay mas posibilidad de errores

 

 

3º Por último, una modulación 256QAM empleado en la televisión digital terrestre de alta definición