Elementos básicos instalación radiocomunicaciones

Para poder comunicar en la distancia dos puntos , necesitamos una serie de elementos con mayor o menor complejidad, pero con detalles técnicos que debemos tener muy en cuenta para tener el mejor sistema posible. Veremos cada uno de los elementos, que son:

  1. Emisor
  2. Receptor
  3. Cables de cobre y fibra
  4. Antenas
  5. Duplexores y Diplexores
  6. Distribuidores y mezcladores
  7. Instalaciones eléctrica en estaciones de radiocomunicaciones 

 

1 Emisor 

esquema de transmisor

 

Parte del sistema encargado de recibir la señal a transmitir , tratarla y alimentar el elemento encargado de transmitirla ( antena ).

En el esquema de la derecha, se ha omitido los bloqies de filtros. Debería añadirse uno a la salida del sistema de audio ( filtrar  la salida del estudio )  y otro  antes de alimentar la antena.

Los elementos básicos son

  1. Señal de audio de los estudios. En este caso, hemos tomado una emisora de AM donde se está transmitiendo una tertulia, música,etc. La salida debe ser tratada para que contenga una señal lo mas “limpia ” posible. Ello se consigue con sistemas de filtros, y, por supuesto, con elementos traductores adecuados ( buenos micrófonos, sistemas de cables, electrónica de bajo ruido, etc.
  2. Oscilador. Se genera una frecuencia senoidal dada por la emisora. No es siempre la misma, ya que cada emisora de AM tiene la suya. Por ejemplo,  tenemos que  Radio Nacional de España en Madrid tiene una frecuencia de  585 Khz
  3. Una vez producida la señal portadora, se pasa a un amplidicador
  4. La señal portadora y la señal de audio ( del estudio ) se pasan por el modulador para que, en este caso, se module la señal de la portadora, acorde aU la amplitud de la señal del estudio
  5. La señal resultante se entra en un amplificador  de radio frecuencia y éste alimenta la antena

2º Receptor 

Un avance importante en los receptores fue la incorporación del receptor heterodino.

Heterodinar ( obtener una frecuencia a partir de la mezcla de otras dos ) tiene el propósito de mezclar frecuencias y obtener una tercera señal con resultados útiles en las etapas siguientes del receptor

Mostramos el esquema básico de este  elemento

Superheterodino

Una vez que la señal llega a destino, tenemos que la señal que toma la antena se entrega al receptor, compuesto por una serie de bloque que detallamos.

  1. Bloque de amplificador de la señal. La señal suele llegar con poca potencia, por lo cual es necesario este componete
  2. Oscilador local. Según sea el tipo de modulación, es necesario crear una señal senoidal de una frecuencia determinada. Esta señal la vamos a entrar junto a la señal que procede del amplificador de antena, al mezclador
  3. Mezclador. Este componente nos va a crear una señal de una frecuencia intermedia F3,dando lugar a varias frecuencias, producto de sumar F2 a F1 y de restar F1 , F1.
  4. El filtro de frecuencia intermedia tiene una ancho de banda mas angosto, dando lugar a una mayor selectividad del del conjunto. La señal sale lista de este bloque para  demodular.
  5. El filtro de frecuencia intermedia aisla perfectamente la señal a demodular, ya que es un filtro de alta selectividad en frecuencia.
  6. El demodulador aplica la técnica apropiada ( FM, AM, etc ) para obtener la señal que contiene la información
  7. Amplificador de banda base. Una vez que tenemos la señal demodulada, hay que amplificarla y filtrarla para la etapa de potencia.

Podemos ampliar con mas detalles en la parte inferior de la página ( Receptor superheterodino )

Métodos de transmisión

En esta apartado nos referimos a qué medio vamos a usar para “conducir la señal” desde el origen al destino. Ese camino puede ser guiado o no guiado. En el primero englobamos a cables de cobre y cables de fibra. En los no guiados, hablamos de las ondas electromagnéticas, que  no necesitan de ningún tipo de soporte para transmitirse ( pueden viajar en el vacío )

Dentro de los cables, las propiedades en las que nos fijaremos serán:

  1. Fiabilidad del cable
  2. facilidad de la  instalación
  3. Velocidad de transmisión de datos ( Kbit/s)
  4. Ancho de banda ( cuantos canales podemos pasar )
  5. Precio del cable
  6. Espacio entre repetidores en instalaciones grandes

3.1 Cables de cobre.

Dentro de ellos, tenemos principalmente los cables de pares y el coaxial. Para ello, repasamos ya lo visto dentro de la página   tipos de cables de datos y  fibra óptica

( junto con el material que tenemos en el libro )

3.2 Cable coaxial.

Está constituido básicamente por un cable interno de cobre, un material dieléctrico, una malla de cobre y una funda que lo protege.  Uno de los aspectos más importantes  es la impedancia del cable, que depende de factores como la distancia que existe entre el cable interior y la malla. Por ello es muy importante que no se doble demasiado a fin de no modificar esa variable.

  1. La impedancia viene como : Donde:
  2. Zo es la impedancia del cable, que no depende de la longitud
  3. εr se llama la permeabilidad relativa del dieléctrico y depende del tipo de material ( polietileno sólido, polietileno expandido, etc )
  4. De es el diámetro del cable exterior
  5. Di es el diámetro del cable interior

A destacar tenemos que:

  • En los casos reales donde el cable se carga con generadores o receptores, cuya impedancia es igual a la impedancia característica del cable, la impedancia de ésta permanece constante.
  • Zo del cable es independiente de la longitud del mismo. Esto parace curioso porque parece que a mas cable mas impedancia, pero tenemos que tener en cuenta que esta consideración se hace para un cable ideal, con resistencia del cobre nula.
  • Así mismo, y para una línea sin perdidas, la impedancia es constante independiente de la frecuencia.
  • En una linea bien adaptada en impedancias,  no se producirán reflexiones de señales
  • Cuando se conecta una cable con una impedancia igual a la impedancia de la carga, la transferencia de energía entre cable y carga es máxima

 

No, no es un cable, ES EL CABLE. Con esto, queremos resaltar  la importancia que tiene este elemento dentro de un conjunto, que aparentemente son mas importantes que el mismo cable. Es muy importante que todos los bloques que están conectados al cable tengan  idénticas impedancias a la que tiene el mismo cable  para que no existan ondas reflejadas y el rendimiento del conjunto sea máximo.

 

La mayoría de los cables tienen una impedancia de 50 o de 75 Ohmios. Dejamos una imagen del equivalente eléctrico del coaxial

equivalente cable coaxial

Si lo comparamos con el par trenzado, tenemos, en general a día de hoy ( en esto siempre tenemos que marcar fechas, finales del 2017 )

  •  Se puede usar para cubrir  mayores distancias.
  • Como consecuencia de lo anterior, los tramos entre  estaciones ( repetidores ) pueden tener mayor distancia.
  • Gracias a su apantallamiento, es menos susceptible a interferencias.
  • Ofrece mayor frecuencia de trabajo y mayor velocidad de transmisión.

Por ejemplo, tenemos el cable Coaxial de banda ancha, que normalmente se usa para el envío de la señal de televisión por cable, puede llegar a tener 100km de distancia. Si lo hacemos trabajar  a 300 Mhz , llega a tener velocidades de 150 Mbps.

Partes del cable de fibra óptica

3.3 Cable de fibra óptica

Este un medio de transmisión es muy  empleado en telecomunicaciones y sistemas de redes de datos, que está fabricado de un hilo muy fino de material transparente, (  materiales plásticos o de vidrio  ) y  por el que pasan los  pulsos de luz  (  datos aque se quieren transmitir ). Ese haz de luz está  confinado dentro de la fibra , propagándose por el interior con un ángulo de reflexión  adecuado , inferior al ángulo límite de reflexión total, que se puede calcular por la ecuación de Snell. Lo vemos en la siguiente ilustración

ángulo-crítico fibra

La fuente luminosa puede ser generada por láser o un diodo  led.

Actualmente es el medio por cable más avanzado y con mayor apuesta en el sector de las telecos, dada las ventajas que vamos a enumerar

  • Ancho de banda elevado ( del orden del GHz).
  • Pequeño tamaño de la fibra ( no ya de cable completo )Curvatura-de-fibra
  • Relativa flexibilidad , con radios de curvatura  sobre el rango de 3 a 7 cm. Esto es una ventaja en las instalaciones.  Se debe mirar las características del fabricante para tomar el valor real. Una regla aproximada es tomar la medida del diámetro externo del Cable y multiplicado 20 veces, es decir, Rc = 20 x Dc (donde Dc es el Diámetro externo del cable).
  • Podemos ver un vídeo en https://www.youtube.com/watch?v=pnArNuQOJkg
  • Muy ligero.
  • Gran ligereza. Un km es 9 veces menos pesado que el correspondiente en cobre
  • Total Inmunidad frente  a perturbaciones  electromagnéticas.  Ni las tormentas , ni los arranques de motores van a perturbar el transito de datos por la fibra
  • Elevada seguridad. En caso de señales eléctricas por un conductor, la toma de una muestra para curiosear qué se transmite por esa red es difícilmente detectable. En caso de la fibra, esa intrusión supone un debilitamiento de la energía lumínica en recepción, lo cual sirve de alarma.  Si queremos  confidencialidad,  fibra óptica
  • No genera interferencias.
  • La atenuación es muy pequeña  e independiente de la frecuencia del haz. Esto supone que podemos cubrir largas  distancias antes de utilizar algún  elemento activo ( amplificadores láser )
  • Amplio margen de temperatura de funcionamiento
  • Inmune a la  corrosión.
  • Gracias al uso de la técnica de la reflectometria, podemos localizar  los cortes del cable. En el mar a miles de km de fibra. Esto permite solucionar problemas con gran rapidez, en caso de que algún “pez esté enganchado al facebook “. Tenemos un buen vídeo en este enlace

 

Pero todo tiene sus desventajas

  •  Fragilidad de las fibras ( rotura por impactos )
  • Transmisores y receptores más costosos.
  • Para unir fibras hace falta equipos especiales ( fusionadoras ) y técnicos preparados en estas tareas.
  • No se pueden usar para alimentar repetidores intermedios, dado que la fibra no es conductora. La energía debe proveerse por conductores separados.
  • En muchos casos tenemos que hacer varios  procesos de conversión eléctrica-óptica.
  • La fibra óptica convencional no puede transmitir potencias elevadas.
  • Se puede producir cambios en la atenuación.  porque las moléculas de hidrógeno lleguen a  difundirse en las fibras de silicio.

 

 

Ventanas de transmisión de la fibra óptica: Se llaman así a las longitudes  de  onda (λ) de la luz que emplean los  emisores.

Se les suele llamar ventanas  y vienen representadas en la figura siguiente

Actividad. En la gráfica anterior, explica porqué no se usa la frecuencia 1450 nm.

Actividad. Porque es mas ventajoso utilizar la 3º ventana en enlaces de gran distancia

Tipos de fibraTipos-de-fibra

Las diferentes caminos que la luz sigue en el interior de una fibra se denominan modos de propagación. Según el modo de propagación, la fibra se clasifica en  multimodo y monomodo.

Fibra multimodo

En esta fibra, los haces de luz pueden circular por varios caminos. Como cada modo tiene una distancia diferencte entre el principio y final de la fibra, los haces  no llegan todos a la vez.

Estas fibras son usadas en  aplicaciones de distancias  menores a 2 km, siendo   simples de diseñar y económicas, son  más fácil de conectar y tiene una mayor tolerancia a componentes de poca precisión

Según el  índice de refracción del núcleo, hay  dos tipos de fibra multimodo:

  • Fibra de  Índice escalonado: Donde el núcleo tiene un índice de refracción constante en toda la sección cilíndrica, tiene alta dispersión modal.
  • Fibra de Índice gradual:En este caso, el  índice de refracción no es constante dado que el núcleo se constituye de distintos materiales. Tiene menor dispersión modal .

Según el sistema ISO 11801, tenemos:

  • OM1: Fibra 62.5/125 µm.  Usa led como emisores. Velocidades de  Gigabit Ethernet (1 Gbit/s),
  • OM2: Fibra 50/125 µm. Usa led como emisores. Soporta hasta Gigabit Ethernet , igual que OM1
  • OM3: Fibra 50/125 µm. usa láser (VCSEL) como emisores. Soporta hasta 10 Gigabit Ethernet

Algo que tenemos que conocer dentro de las fibras es la DISPERSIÓN MODAL

que es  una característica de tienen la fibras multimodo y que provocan que se limite el  ancho de banda, dado que los distintos modos de luz recorren caminos diferentes dentro de la fibra óptica.  Dejamos una ilustración de este efecto, donde podemos ver cómo, a modo de ejemplo, una luz blanca de entrada ( cuyos componentes principales son el azul, verde y rojo ) tiene tres modos ( uno por cada color ) llegando la luz azul antes que el resto. La luz roja, por la trayectoria que toma, llega mas tarde que el resto.

Este problema se soluciona usando fibras con núcleos con  índice de refracción variable

Fibra monomodo

  • La luz  sólo se propaga un modo de luz., gracias reduciendo el diámetro del núcleo de la fibra (8,3 a 10 micrones)
  •  Su transmisión es paralela al eje de la fibra.
  • En contraste con las  multimodo, las fibras monomodo permiten alcanzar distancias de 400 km  mediante un láser de alta intensidad
  • Elevadas tasas de información (10 Gbit/s).

Fusión de fibras y tipos de conectores

Para el curso que el IES Mare Nostrum recibe de la empresa Sirus, vamos a adelantar y ver los siguientes contenidos.

Vamos a ver un  video sobre  la utilización de la fusionadora de fibra

Tenemos que recordar los coenctores de  fibra en el enlace Instalación de elementos de radio

Veremos cómo se crea un latiguillo con uno de los conectores  que tenemos en la página de Infraestructuras de las redes de datos

Páginas de interés

1.-https://www.monografias.com/trabajos108/transmision-fibra-optica/transmision-fibra-optica.shtml

2.- Fibra öptica en ICT.https://sites.google.com/site/desarrollosticaura/proyecto-de-ict/stdp-y-tba/4-fibra-optica

 

Comparativas entre medios

 

Tipo Velocidad en bits/segundo Distancia a otro repetidor
Luz 1 Mb/s 1 Km
Infrarrojos 10 Mb/s 200 Km
Par trenzado 1 GBPS 2-10 KM
Microondas 10 Mb/s 80 Km
ondas de radio 1 Mb/S 100-1000 KM
cable coaxial 2 Gb/s 10-100 KM
Fibra óptica >10 Gb/sS >100 KM

4 Antenas 

Cuando tenemos que utilizar el espacio como medio de enlace entre emisor y destinatario, haremos uso de un elemento que nos va a traducir una corriente eléctrica en un campo electromagnético y viceversa.

Seguiremos esta sección en el enlace Principios básicos de antenas

5 Duplexores y Diplexores  

Un duplexor es un componente de radiocomunicaciones que permite utilizar una misma antena tanto para recibir como para emitir, desacoplando la parte emisora y receptora de la estación.

En la imagen de la izquierda tenemos este componente representado en verde, produciéndose en el mismo las conmutaciones para permitir que el transmisor envíe la señal a la antena, o bien, que el receptor reciba la señal de la antena.

El Diplexor hace  la misma tarea, pero con la diferencia que conecta equipos con frecuencia de trabajo diferente, por ejemplo, cuando tenemos que utilizar frecuencias de satélite y tv terrestre , como mostramos en la siguiente ilustración

diplexor en instalación antena

6º Distribuidores y mezcladores 

La finalidad del distribuidor es repartir  la señal en los puntos que son necesarios ( por ejemplo cuando desde el tejado de un adosado, tenemos dos plantas con varios puntos de TV ). En le caso de que ese distribuidor ( o repartidor ) sea pasivo ( sin alimentar ) , se tiene una perdida de 3 dB por cada toma, esto es, para un repartidor de 4 salidas, tenemos una pérdida total de 12 dB.

El mezclador hace la función inversa.

7º Instalación Eléctrica en estaciones de radiocomunicaciones 

Esta sección está contemplada muy bien en otros módulos del ciclo. Haremos una revisión sobre los aspectos más importantes a la hora de poder suministrar la energía eléctrica necesaria para el proceso de radiocomunicaciones

La estación deberá en todo momento tener un flujo constante y de calidad de energía eléctrica que será proporcionada desde diferentes fuentes. Tendremos que tener en cuenta los criterios medioambientales, de acceso a la estación, de las energías renovables que tengamos en el lugar, del tendido eléctrico circundante, etc. En base a esos y otros criterios, tomaremos la mejor decisión. Pondremos varios casos en los que podremos actuar

  1. En la zona tenemos luz eléctrica de alguna compañía. En este caso es la mejor opción de todas , dado que la caída de tensión en las líneas raramente ocurren y los tiempos de respuesta se han incrementado mucho. Esa situación se puede complementar con sistemas SAI para que, en caso de fallo del suministro de electricidad, la radiocomunicación no caiga.. Tendremos que tener en cuenta el cálculo de baterías.
  2. Zonas de difícil acceso y sin electricidad. En este caso, optamos por energías renovables si es posible o por grupos electrógenos. En el caso de los grupos tenemos que tener en cuenta que hace falta un depósito para el gasóleo, además de sistemas de climatización, seguridad , vallado completo del recinto, contaminación acústica del entorno, etc.
  3. En el caso 2 se puede optar por instalar paneles solares o aerogeneradores, siempre apoyados por SAI

Actividad Completar esta sección con las referencias que tenemos en el libro

Actividades 1º Una instalación se dice que es muy disponible cuando tiene servicio el 99,999 % del tiempo con servicio. Hemos encontrado una caída de 20 minutos a lo largo del año. ¿ Han cumplido con lo prometido ?

 Tenemos una estación solar que, para la noche necesitamos un suministro de 600 Ah. Las baterías tienen una tensión de 12 voltios y 80 Ah. Calcular cuantas y cómo irán conectadas

3º ¿ Qué aporta tener un amplificador de frecuencia intermedia en un receptor superheterodino ?

Calcular la impedancia de un cable con permeabilidad 1,8 y cuyo diámetro mayor es tres veces mayor que el diámetro menor

Nos piden que montemos una antena parabólica en una casa, pero el tubo ya está ocupado por un cable de antena y no hay mas espacio. Qué solución le puedes dar ?

Busca en internet el diagrama de radiación de una antena utilizada para dar cobertura de UMTS en la ciudad

Los grupos electrógenos produce corriente alterna y, sin embargo, los equipos de radiocomunicaciones necesitan corriente continua.  Que hará falta ?

Una antena tiene un rendimiento del 80 %. Si la potencia aportada es de 2 W, calcular la potencia radiada

 

Para saber algo más

Receptor superheterodino 

Veremos a modo resumido las cómo funciona este receptor. Lo hemos dividido en dos zonas. La primera en rojo  y la 2º un receptor mas detallado y mejorado. Solo hay que estudiar  el resumido ( en rojo ).

Todas las frecuencias de las ondas de radio llegan a la antenas de nuestros receptor. El primer  amplificador de RF (amplificador de radiofrecuencia)  aumenta las señales comprendidas entre los los 80Mhz y los 110Mhz , ( para el caso de la FM, claro ), aunque la banda real de FM está comprendida entre los  88Mhz a  108Mhz.

Si hablásemos de AM,  la banda sería entre  500Khz y los 1800Khz.

Todo lo que esté fuera de esas frecuencias, el amplificador de RF lo rechaza.

Tener en cuenta que siempre en nuestros esquemas, la tarea de limpiar y filtrar lo hacemos incorporando un filtro. En la imagen de abajo, esta tarea ya la hace ese amplificador, por eso pone amplificador pasabandas

  Al avanzar, tenemos un oscilador local,  que genera una frecuencia variable, según se ajuste el bloque de sintonía ( manual o sintetizado PLL ).

Esa frecuencia llega al mezclador y se mezcla con las frecuencias que le llegan por su otra entrada,  generándose  múltiples frecuencias a la salida del mezclador. En el ejemplo de abajo, tomamos una frecuencia de oscilador local de 106.8Mhz, dando lugar a un  array de frecuencias resultado de sumar y restar la frecuencia  que viene por el aire y la generada en el oscilador. Todas ellas van a ingresar en la siguiente etapa.

 

 Tanto las frecuencias resultantes de la suma ( F3 = F2 + F1 ) como la de la resta ( F3 = F2 – F1 ) se ingresarán en el  amplificador de frecuencia intermedia.

 Ahora nos encontramos de nuevo con un amplificador de frecuencia intermedia con filtro banda, sintonizado a 10.7Mhz. Si nos fijamos en la tabla de frecuencias que hay en la imagen, en verde tenemos esos 10,7 fruto de la resta de la frecuencia del 1º oscilador con otra del “aire”. Es esa frecuencia de 96,1, la que vamos a poder sintonizar , estando el resto anuladas por ese amplificador de FI

Las gran ventaja que tenemos con este receptor es la gran selectividad,  con  el rechazo a frecuencias que no coinciden con el canal de paso (ecuaciones en color rojo )

Una vez obtenida la FI, se procede de demodular para obtener la señal de información que hemos transmitido desde el emisor . Nota. En la primera parte no viene este bloque, pero sería igual al que se obtiene en la 2º parte de la imagen ( en azul )