Sistemas de radiocomunicaciones

 Introducción

Para repasar los conceptos  y como  elemento de introducción, vamos a repasar un par de veces este trabajo sobre señales  y ondas que podemos ver en https://es.slideshare.net/edisoncoimbra/7-atenuacion-distorsion-y-ruido-en-la-transmision. Esta presentación las tenéis en Pdf en la carpeta compartida de DRIVE

 

Temas de television http://www.iesromerovargas.es/recursos/elec/sol/television_digital.htm

https://es.wikipedia.org/wiki/COFDM

https://es.wikipedia.org/wiki/Modulaci%C3%B3n_por_desplazamiento_de_fase

 

Actividades iniciales

    1. Una onda electromagnética pierde energía debido a……
    2. Un cable coaxial respecto a un par de cobre tiene mas o menos perdidas ?. Razona la respuesta en base al diagrama de la presentación
    3. Qu’e es el efecto Skin. Ayuda con tres dibujos
    4. Tenemos en la tienda dos tipos de rollo de cable coaxial. Uno de bajas pérdidas y otros normal. A que se debe esto ? Qué elemento cambia en el cable ?
    5. Al principio de una torre tenemos un generador de 20W para alimentar una antena que está a 40 metros. Si el cable que tenemos tiene una perdida de 2dB/100 metros, que potencia le llega a la antena ( ver solución ejemplo 2 de la diapositiva 8 )
    6. Un cable de fibra trabaja con luz de 850 nm. Calcular que pérdida tenemos a los 10 Km
      1. Tenemos una instalación  de fibra  óptica  con una  longitud de 60 km. La salida del  transmisor es 30 mW y las pérdidas son:
        * Pérdida total de conector de salida : 4 dB.
      2. * Pérdida total de conector de entrada : 4 dB.
      3. *Pérdida por empalme: 0.15 dB.
      4. Los empalmes se sitúan cada 2 Km.
      5. * Pérdida de la fibra: 0.35 dB/km.

Calcular la potencia en el receptor dados en  dBm.

Ecuación de transmisión de Friis. Esta ecuación se verá mas adelante dada la importancia que tiene en las telecomunicaciones (radio enlaces ). Hay muchas formas de indicarla y, por ello, lo mejor es usarla de la manera directa, deduciendo los Db recibidos, desde la fórmula: , donde Pt es la potencia transmitida, Gt la ganancia de la antena que transmite, Gr la ganancia de la antena receptora , Landa es la longitud de onda de la señal y R la distancia que separa emisor de receptor. Utilizando esta expresión, calcular los Db que deben obtenerse en un receptor, si el  transmisor operan a 6 GHz  con potencia de 2W estando  separados
por 40 km. La   ganancia de la antena emisora es  de 20 dBi y la receptora de 25 dBi.

 2.2 Sistemas de radio y televisión

Se aconseja el estudio del tema Principios básicos de antenas

Una vez que hemos leído esta pregunta, hacer las siguientes actividades 

  • La transmisión de señales de radio analógica principales son  AM y FM. El libro indica que AM es onda media. Averigua si es correcto. Explica en qué consiste la AM y la FM con la ayuda de un diagrama de señales.
  •  La televisión analógica presenta el problema del ancho de banda, que es solucionado por la multiplexión digital. Explica qué es la multiplexión.
  • Haz una tabla comparativa con ventajas e inconvenientes del sistema PAL comparado con el DVB-T
  • Uno de los problemas de la televisión analógica es la doble imagen. Explica utilizando un dibujo, las razones que lo provocan.

2.2.2 Sistemas de radio y televisión por satélite

partes-basicas-satelite

Vemos en este apartado que tenemos distintos  tipos de satélites atendiendo a la  distancia de la órbita a la tierra. Las siglas, como siempre , viene del Inglés, y nos fijamos en las dos ultimas , que son EO ( Earth Orbit , órbita de la tierra ). De esa manera y como se aplica en la mayor parte de los caso, L= Low, M = Medium, H = High, se puede construir toda la pregunta partiendo de la que nos falta, la MEO ( no confundir con CAGO , que así no nos sale la regla nemotécnica )

La vamos a aplicar. Nos acordamos de la palabra ( MEO ) y la definimos

MEO = Medium Earth Orbit , se suelen colocar los satélites GPS a unos 20000 km

Bajamos y tememos los  LOW, ( Low  Earth Orbit ) , a menos de 5000 Km de la tierra y donde se  sitúan los satélites de telefonía móvil ( a unos 700 km de la tierra )

La televisión satélite utilizan platos en la tierra siempre orientados a las mismas coordenadas  y, por tanto, necesitan que el satélite que les da servicio ” no se mueva”. Estos son los satélites   GEO ( Geostationary Earth Orbit ). Está a una distancia igual que la el perímetro de la tierra por el ecuador, unos 36000 km . Este es el cinturón de Clarke. Ver desarrollo en la sección contenido extra ( abajo ).

Mostramos una imagen donde se representa un satélite y un punto fijo de la tierra .

Onda estacionaria

 

Si ya está más lejos de esos 36000, se llama HEO de High Earth Orbit, y apenas tienen uso.

Un aspecto importante de los tipos de satélite es lo que tardan en dar una vuelta a la tierra. Los GEO tiene el mismo periodo que la tierra ( por eso “no se mueven ” ) pero si están más cerca, el periodo es menor ( van mas rápido ) y si está mas lejos, el periodo es mayor ( tardan mas tiempo de 24 horas en dar la vuelta a la tierra ) . Porqué ?

Actividades.

Haz una tabla con los 4 tipos de sistemas orbitales, especificando uso, distancia y periodo ( cuanto tiempo tarda en completar un giro )

Investiga cuantos satélites hay en cada órbita

En algunas películas de espionaje se muestran algunos satélites de espionaje donde se obtienen fotografías e imágenes en tiempo real. Averigua quien los usa, de qué tipo son  y porqué no tienen visión permanente del objetivo.

  Un vecino está viendo un partido de Tv recibido desde la TDT. En nuestra casa, lo recibimos por un satélite Geoestacionario ( Astra ). Nos está fastidiando la fiesta . Porqué ?. Calcular el tiempo que tarda la señal en llegar a nuestro plato.

La frecuencia utilizada para la banda Ku difieren a la subida y a la bajada. El motivo es el ahorro de energía que eso supone para el satélite. Como la información sube “montada” en una frecuencia y baja en otra, existe un dispositivo denominado transpondedor. Este dispositivo, recibe la señal , la limpia, la amplifica y traslada su frecuencia para bajarla al usuario.

Actividad.  La potencia de la señal que aparece en cada punto de la tierra viene determinada por factores tanto técnicos del satélite como los propios dela tierra. Al mapa que relaciona la potencia recibida del satélite con el área geográfica, se le denomina footprint ( huella de pie, que en el argot “sateliano”  denominan huella del satélite.   Como tarea se propone buscar la huella del satélite que utiliza Movistar y hacer las siguientes investigaciones utilizando las web de satbeams.com  y distel

a) Qué satélite utiliza

b) Obtener la footprint de Europa y España

c) Que potencia de dbW tiene en España y diferencias apreciables de un extremo a otro

d) Calcular el plato necesario para recibir bien la señal

Tenemos una aplicación muy buena de la empresa distel donde podemos comprobar y calcular los conceptos que vamos a ver. Mirar en esta pagina http://www.diesl.com/2014/01/13/como-elegir-el-diametro-adecuado-de-la-parabolica/   y hacer los cálculos para el satélite comprobando las diferencias que existe de instalar un plato en La Coruña a ponerlo en Málaga.

En la terminología empleada, tenemos algunos términos importantes, como son:

Azimut. Valor  exacto en el que debemos fijar la antena parabólica en el plano horizontal referido al norte geográfico. Para el Astra, tenemos un azimut de unos 150 grados. Ir a la web satbeams.com/footprints y buscar donde está el satélite. Comprobar que ese valor es coherente.

Elevación Es  la inclinación que tenemos que dar a la antena parabólica con respecto al plano vertical para tener la orientación adecuada al   satélite. ( Ver cómo se modifica este valor de pasar desde Cantabria a Málaga )

Y por último,  El ángulo del plano de polarización  viene determinado por la ubicación geográfica de la antena y se  ajusta girando el LNB, respecto a la vertical en el sentido de las agujas del reloj.En la práctica, se suele poner con la salida del cable marcando las 7 de la tarde.

Esto y mas curiosidades en www.diesl.com/azimut/

DVB-S

Digital Video Broadcasting by Satellite es el sistema empleado para la transmisión de ondas por satélite. Este sistema utiliza la modulación QPSK ( Quadrature Phase Shift Keying ).

Modulacion-PSK

En la imagen superior tenemos el concepto de modulación por fase que da lugar a un sistema binario ( señal moduladora ). De abajo a arriba tenemos primero la onda portadora, a una frecuencia de GHz. Esa señal no lleva información y por ello se modula con la señal moduladora ( 2º señal ) dando lugar a la señal modulada que es la que sube al satélite. Para obtener la señal moduladora, se procede con un sistema parecido para obtener la información deseada.

En este caso, se obtiene dos valores, o y 1. En el sistema QPSK es posible desarrollar una técnica para que, por el código de Gray ( solo cambia un bit de un valor al siguiente ) se obtengan en total 4 valores posibles, ( en vez de 2 del anterior ). Esos valores son el 00, 01, 11, 10. La técnica es mas compleja pero permite obtener mas datos en la señal portadora.

Sistemas de telefonía móvil

La telefonía móvil ha evolucionado tanto , que muchos de los sistemas han quedado ya obsoletos. En esta sección nos ocuparemos mas a fondo de los sistemas mas recientes. Haremos una primera

Actividad 1. Hacer una tabla resumen que recoja los siguientes datos.

  • Denominación del sistema de telefonía
  • Bandas utilizadas
  • Ventajas e inconvenientes de esa banda
  • Velocidad de transmisión

Actividad 2. Calcular el tiempo de descarga de un vídeo que ocupa 20 MB empleando una linea GPRS de 54 kb/s y el tiempo empleando una HSPA de 14,4 Mb/s. Tener en cuenta que las velocidades se suelen dar en bits y la capacidad de archivos y datos en byte y que un byte = 8 bits

2.4.2 Arquitectura de red

Para establecer la comunicación entre dos dispositivos móviles ( que ademas pueden desplazarse en la comunicación, si por ejemplo uno de ellos va en coche ).  Para que el proceso se efectúe con garantias, se necesitan los siguientes elementos ( software o hardware )

  1. BS  Es la estación base. Cuando un terminal está en la celda de una BS, esa Bs es la que controla la comunicación. El alcance va desde los algunos cientos de metros hasta los 30 Km, dependiendo del entorno  ( montaña, campo abierto, ciudad, etc)
  2. BSC. Controla varias Bs de la zona de influencia. Coordina las comunicaciones entre las estaciones. Otorga la frecuencia, potencia y posición del móvil para determinar que Bs es la idónea para su comunicación. Puede que un móvil esté físicamente mas cerca de una BS, pero tenga mas señal de otra. En ese caso, la BSC la cambia para que se utilice la menor energía posible y mayor calidad de comunicación
  3. MSC . Este sistema se encarga de establecer, mantener y finalizar la comunicación de un usuario a otro. Si uno cambia de celda, el BSC le transmite la nueva posición de celda al MSC para que éste lo transmita a las nuevas BS implicadas.
  4. HLC y VLC. Son registros que se realizan sobre los servicios contratados por un usuario y la posición que tiene en ese momento. Si alguien le llama, al estar registrado, el MSC puede transferir la llamada al MSC adecuado. El VLC es propio para el roaming, de forma que al hacer la consulta del servicio contratado, dirá si tiene o no privilegios para poder usar los servicios que solicita.

Actividad. Aparte de los sistemas anteriores, dentro del dispositivo tenemos una serie de códigos . Explica qué son y para qué valen

Actividad. Explica las ventajas e inconvenientes del sistema TETRA. Amplia la información que puedas encontrar en internet.

Zona de fresnel

Para evitar interferencias ente dos puntos donde se intercambia señales de alta frecuencia, no sólo es necesario tener despejado la línea directa entre los emisores, sino que  es necesario tener en cuenta la zona de Fresnel.

Se puede decir que la zona de Fresnel es el volumen entre emisor y receptor, donde no debe existir obstáculos que puedan perturbar la transmisión de la señal.

Existe una fórmula que nos permite calcular si entre dos puntos de enlace ( aunque exista visibilidad ), tenemos posibilidad de establecer enlace.

El cálculo del valor de r ( Distancia desde la horizontal de enlace hasta el obstáculo ) viene dada por:

zona de fresnel

Donde d1 y d2 son las distancias que hay entre el obstáculo y emisor y obstáculo y receptor

Como podemos ver, la forma de la zona de fresnel es ovalada. Esto nos lleva a pensar que el máximo lo tenemos en la zona central, donde d1 = d2.

De aquí, que para la máxima tenemos la fórmula:

 donde f es la frecuencia y D viene dado en Km

Actividad. Deducir la fórmula anterior, sabiendo que las ondas viajan a la velocidad de la luz y que la relación entre la longitud de onda y frecuencia es  c = ƒ*λ

[hoops name=”video 1″]

Una página con herramientas para calcular la zona de fresnell:

http://www.radioenlaces.es/articulos/calculo-de-radioenlaces/

 

Contenido extra.  Cómo calcular a qué distancia tenemos la órbita Geoestacionaria

Cuando tenemos un satélite que gira de forma estacionaria, tenemos un objeto que está girando a la misma velocidad angular que la tierra, o sea, que si la tierra da una vuelta en un día, el satélite también.

Veremos un poco de Física. En el siguiente dibujo tenemos un móvil ( satélite ) dando vueltas respecto del centro ( Tierra ). tenemos que ese cuerpo giratorio tiene una masa m y como consecuencia de ello, la tierra le atrae con una fuerza de atracción. Para que el satélite no caiga, la fuerza centrífuga ( fuerza que del centro ( centri ) se quiere fugar ) tiene que ser igual a la fuerza centrífuga ( que tiene a que se escape

Veremos primero la Fcf. En mecánica de cuerpo giratorios tenemos que:

{\displaystyle \mathbf {F} _{\text{cf}}=-m{\boldsymbol {\omega }}\times ({\boldsymbol {\omega }}\times \mathbf {r} )}

Fuerza centrifuga
Fuerza centrifuga

Donde m es la masa, w es la velocidad angular y r la distancia al centro de giro. Es un producto vectorial con el vector resultante saliente . El valor escalar es:

Fcf = mw²r

Si el satélite está muy cerca, la fuerza de atracción es mayor y por tanto la centrífuga tambien. Si Fcf se hace mayor, pero el radio r se hace menor porque nos hemos acercado a la tierra, sólo nos queda que tenemos que aumentar la velocidad angular y como consecuencia de ello, el periodo es menor.

El mismo razonamiento si nos alejamos.

Ahora veremos la otra fuerza que quiere atraer al satélite, para que las dos queden compensadas y ” si es escape si caiga a la tierra “. Esa fuerza se calcula por la fuerza gravitatoria que resulta entre los dos objetos y tiene como valor:

 Donde  D es la distancia del centro de la tierra al satélite,  M es la masa de la tierra de valor  =5.98 1024 kg y G es una  Constante gravitatoria de valor  G=6.67 10-11 Nm2/kg2.

Como las dos fuerzas se tiene que igualar

equilibrio fuerzas.

Como m ( la masa del satélite ) lo tenemos en los dos lados, se pueden quitar y ademas pasa D de la izquierda a la derecha. El resultado es el siguiente

distancia-satelite.

w es la velocidad angular de la tierra ( igual que la del satélite) y se calcula al dividir el angulo que tiene que moverse la tierra entre el tiempo en segundos, esto es:

w2= 2*Π/24 horas =2*Π/(24*60*60 segundos ) = 7,26 * 10 -5 radianes/segundo

Ahora toca sustituir valores:

Obtenemos un valor de D de 42297 km. Esa es la distancia del centro de la tierra al satélite. Si quitamos la distancia del radio de la tierra, tenemos que la distancia de la superficie al satélite es:

42297 Km – 6370 Km = 35927 Km

Great IdeaActividades:

1º Ver fotoprint de algunos de los satélites más comunes en España

2º Busca en Internet qué modelos de coches tienen el DAB

3º La brújula es un instrumento sencillo y muy útil para nuestro trabajo. Además, los smarthpone ya tienen una incluida.

a)  Abre la brújula y busca la orientación de un punto cualquiera de tu entorno. Compara el resultado con tu compañero

b) Busca las coordenadas norte y sur facilitadas. Compara estos valores con los facilitados por google maps. Compara los dos resultados. Luego, Pasa los valores de la brújula a los datos de google maps a ver que resultado te ofrece. Te en cuenta que uno viene en el sistema decimal y el otro en minutos y segundos.

Pd. En el mapa de google, tenemos un valor positivo en la coordenada que indica los grados que hay sobre el ecuador y otro negativo, porque estamos antes del meridiano de Greenwich

4º Proyecto de Informática. Realiza en php una aplicación para calcular las zonas de fresnell tomando como variables de entrada la distancia de vano a vano, la distancia del emisor ( izquierdo ) al obstáculo y la frecuencia de transmisión. El trabajo debe mostrarse en una página web y ser responsive ( adaptables a móviles ). Tiempo de trabajo: 1 semana. ( ver ejemplo en https://www.wifisafe.com/soporte/wifi-tools/zona-fresnel )

5º Proyectos de radioenlace:

Parte 1º. ( He dejado un pdf en DRIVE con el título CalculoDeRadioenlace donde se exponen ejemplos de radioenlace )

La idea de esta primera práctica es realizar un radioenlace desde dos puntos a elegir de vuestro entorno, con componentes reales. Para las característica de la estación base, que alimenta la antena, he dejado un documento PDF en la carpeta compartida de DRIVE. Se puede buscar en Internet como ubiquiti rocket m5 datasheet

Entramos en la aplicación online de Radio Mobile ( www.ve2dbe.com/english1.html) .

  1.  Lo primero que tenemos que hacer es proceder con el registro para poder crear enlaces
  2. Dentro de la aplicación, encontramos el apartado Cobertura. Esta sección nos sirve para saber qué cobertura tiene la antena que vamos a usar, con la altura que le demos y su frecuencia de trabajo. Es muy importante hacerlo antes de nada para saber qué zonas son susceptibles de hacer un radioenlace directo. He realizado una captura de pantalla de un punto localizado en el IES Mare Nostrum y el resultado ha sido este:cobertura antena malagaLas zonas en verde me ofrece una alta potencia y la amarilla una señal media. Si no hay color, me dice que en esa zona no hay cobertura. Fijaros que zonas cercana del centro no tiene cobertura ( por los edificios cercanos ) pero sí en zonas mas distantes y altas ( El limonar ).
  3. Una vez que entramos, creamos una nueva ubicación y, en nuestro caso situamos el cursor en un punto de Islantilla
  4. Damos nombre a ese punto y creamos el 2º. En este caso, es el centro comercial donde existe una antena omnidireccional para dar servicio a los clientes
  5. Una vez que tenemos los dos puntos del enlace, creamos un nuevo enlace donde se muestran los diferentes parámetros a tener en cuenta ( mostrados en imagen )Radio mobile online
  6. a) Altura de la antena se refiere desde el suelo, por tanto, la primera la tenemos a 10 metros y la 2º a 15 metros. Hemos utilizado una frecuencia de trabajo de 2,3Ghz con un emisor de 1 vatio, con unas pérdidas entre el emisor y antena de 3 dBi ( indicado por pérdida de línea Tx ). La antena emisora Tx tiene 15 Dbi de ganancia y la receptora Rx de 2. La pérdida Rx de cables y conectores en la recepción es 2 dB y la antena receptora tiene una sensibilidad de 0,5 microvoltios, o lo que es igual, de -113,03 dBm. La fiabilidad la ponemos a 70 % para asegurarnos un margen de error
  7. Con todos esos datos, damos a enviar y a los pocos segundos se crea un mapa con los datos de performace, que mostramos a continuaciónRadio mobile online 1
  8. En la primera imagen vemos que existen una serie de obstáculos ( viviendas antes de llegar a destino
  9. Radio mobile online 2En la tabla de resultados tenemos la casa20 como origen de la señal y donde queremos recibir los datos. No existe nada nuevo y tan solo se reflejan los datos dados al principio. Pasamos a ver que datos tenemos en destinoRadio mobile online 3
  10. La primera parte se refiere a datos geográficos y la segunda a las pérdidas que tenemos. La primera y más importante son las creadas en espacio libre. Tenemos que sumar todas las pérdidas que nos da el sistema y tenemos que hay 94,45 dB como pérdidas totales. Veremos ahora la performace ( resultado )

    Radio mobile online 4
    Performace
  11. Nos dice que hay 319 metros entre las dos antenas, con precisión +- 10 metros a una frecuencia de 2300 Mh y una ganancia del sistema de 156.52 db. Paramos en este primer punto a ver de donde sale.
  12. La ganancia del sistema será la suma de la ganancia que transmite , quitando perdidas y tomando en cuenta el umbral de sensibilidad. Esto es, tenemos 30 – 3 +15+2-0.5+113.02 = 156.52 dB. Este valor es mayor a medida que la sensibilidad Rx sea mayor,la potencia mayor y las pérdidas menores
  13. Seguimos con la tabla anterior y nos indica que hay una señal recibida de 50.95. Esto viene de restar a la ganancia de emisión, las pérdidas de transmisión, o sea, tenemos que operar como 30 – 3 +15+2-0.5- 94.45 = – 50.95 dB
  14. El margen de escucha se obtiene al restar la ganancia total , la pérdida total ( 156.52 – 94.45 ) = 62.07 dB

Parte 2. Instalación del programa completo en el pc

Antes de nada, tenemos que estos vídeos de un colega de Venezuela

[hoops name=”video 2″]

 

2º Parte

[hoops name=”video 3″]

 

1º Ir a la web http://www.cplus.org/rmw/english1.html para hacer un registro de usuario. Pinchar en Radio mobile online para hacer un registro online y trabajar sonbre el programa ya alojado en un servidor
2º Si queremos instalarlo, ( lo haremos ) debemos de seguir la guia indicada en la seccion download
3º Tenemos que eleguir ahora dos puntos cualquiera. Que no disten mucho para evitar la curvatura terrestre.
4º hacemos la 1º medición y en los resultados tenemos una muestra de las zonas de fresnell, linea directa ( en rojo ) y los datos de la transmisión y recemcion
Los valores mas significativos son:po que hemos puesto )
( Estos datos son las características del equi
En el transmisor: tx es la potencia transmitida por el sistema en dbm.

La potencia de dbi se obtiene desarrollando este proceso:

calculo ganancia radioenlace

Donde x es la potencia en dBm ( decibelios en

. Ver página https://es.wikipedia.org/wiki/DBm y comprobar como evoluciona los dbm desde su máximo valor al mínimo.

Rx se da en dbi, o sea ganancia respecto a la antena isotrópica.
La sensibilidad Rx hace referencia al nivel mínimo de señal que se necesita para un correcto funcionamiento del equipo.
En la parte derecha tenemos los datos relativos a la perdida por la propagación
En performace nos indica los resultados dada las características oro-gráficas y técnicas

 

Soluciones.

Tenemos que las distancias son iguales, y por ello vamos a sustituir d1 = d2 = D/2, siendo la distancia D el valor que tenemos entre emisor y receptor.

Ademas vamos a sustituir la longitud de onda por la frecuencia de forma que   λ = c/f

Sustituyendo en la fórmula tenemos:

calculo ganancia

 

Donde D viene en Km. En la expresión anterior, D viene en su unidad fundamental, o sea el metro, pero al multiplicarlo por el 10 elevado a 3 , lo hemos pasado a Km.

2 Ejemplo 2 diapositiva 8. Datos. Perdida de cable 1.5 Dbm/100 metros , potencia de salida 10 W y medida del cable 27 metros

  1. Pasamos los 10 W a dBm.
  2. Hacemos una regla de 3 para ver cuantos db se pierden a los 27 metros: Perdida de cable 2. De esto tenemos que 
  3. Quitamos esa atenuación ( 40 – 0.405 = 39.595 db )
  4. Ahora calculamos la potencia que le llega, de forma que: 
  5. Elevamos a la potencia de 10 para quitar el lg => 10^{3.9595} = \frac{W}{1Mw} \rightarrow W = \mathbf{9.1 W}
  1. Pasamos los 10 W a dBm.
  2. Hacemos una regla de 3 para ver cuantos db se pierden a los 27 metros: Perdida de cable 2. De esto tenemos que Perdida de cable 3
  3. Quitamos esa atenuación ( 40 – 0.405 = 39.595 db )
  4. Ahora calculamos la potencia que le llega, de forma que: 
  5. Elevamos a la potencia de 10 para quitar el lg =>