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Teoría de radioenlaces en radiocomunicaciones

radioenlaceEn este tema, vamos a tratar cómo podemos mandar una señal radioeléctrica desde un punto a otro distante, pero antes de entrar en la elaboración de la práctica, vamos a ver algunos aspectos importantes a tener en cuenta.

1. DETERIORO DE LA TRANSMISIÓN

Los medios de transmisión  usados para viajar las señales no son perfectos y esto da lugar  a deterioros en las señales. Ese deterioro puede ser un debilitamiento de la señal ( atenuación ), una distorsión de la señal intrínseca  ( información modificada por factores propios de la señal  ) o distorsión de la señal por factores externos ( ruido ). Los veremos brevemente.


1.1 Atenuación
 

El ejemplo más claro  de atenuación es la resistencia eléctrica del cobre cuando  pasamos una señal por un cable coaxial o par trenzado. Esta resistencia provoca un pérdida de la señal.

Otro ejemplo es la  impureza contenida en de la fibra óptica que dispersa la luz en todas las direcciones.
En este caso, nos vamos a centrar en aquellos efectos de deterioro que se producen en los radioenlaces y en sus componentes (  sobre todo cables que conectan los equipos ).

La atenuación de una señal de radiofrecuencia cuando se transmite por el espacio se  producen: 

  1. Por la distancia. Cuando una onda se transmite por  el espacio, las señales se dispersan, como lo hace la luz del sol. A mayor distancia, menor energía 
  2. Por la frecuencia.  Cuando la frecuencia de la señal aumenta, el alcance de la misma disminuye. Veremos estos dos factores en la ecuación de friis
  3. Por el  medio ambiente.  Las ondas pierden potencia por absorción cuando pasa a través de árboles, ventanas, paredes. También a  situaciones climáticas adversas, por lluvia, niebla, etc
  4. Por desvanecimiento debido a interferencias por multitrayectoria. Las señales pueden tomar varios caminos desde origen a destino. Al llegar al receptor, una señal puede disminuir el valor de la  otra.

     

1.2 ATENUACIÓN EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN


Los equipos se tienen que conectar por cables y en éstos tenemos también  pérdidas por atenuación

Como hemos visto antes, si tenemos cobre, tenemos resistencia  eléctrica. Esto no lo podemos evitar, pero si además, la frecuencia de la corriente es muy elevada, se empieza a producir el efecto SKIN
Por el efecto SKIN, la  resistencia del conductor  aumenta porque disminuye el área transversal  por el que circula las cargas ( ver figura )
Al aumentar la frecuencia, las cargas tienen a circular por la periferia del conductor
efecto Skin

 

Los cables están separados  unos de otros por un material dieléctrico. Éste material no es  perfecto y tiene cierta resistividad, que disminuye al aumentar la frecuencia . A este efecto se llama “corriente  de fuga del dieléctrico ”. Ver imagen de arriba.

  El cable  coaxial con dieléctrico de espuma tiene menor pérdida que el cable que  utiliza polietileno sólido.

atenuacion cables versus frecuencia1.3Variación de  la atenuación en función de la frecuencia

Debido a los fenómenos físicos vistos y algunos otros, la atenuación del medio está ligado a la frecuencia de la señal   Vamos a mostrar un gráfico que muestra esta influencia.

 Recordar que una pérdida de 3 dB  en una línea, significa que sólo la mitad de la potencia llega a destino. El resto de pierde en calor a lo largo de la línea.

Si en un sistema tenemos grandes pérdidas, empleamos amplificadores para restaurar la señal a valores más apropiados

La limitación de medios por el uso de frecuencias altas, es clara.  Gracias al uso de la fibra óptica, tenemos atenuaciones muy bajas al usar frecuencias altas.

Hay un estudio más extenso en un archivo  Pdf que tenéis en la carpeta compartida de DRIVE

icono pregunta¿Estará bien el gráfico ?. Vamos a hacer una tarea de investigación para los tres tipos de cables

1º Tomaremos una frecuencia de trabajo de 1 MHz para el par de cobre, 500 mHz para el coaxial y alguna frecuencia de trabajo para la fibra ( buscar en Internet)

2º Para cada cable, calcular la pérdida para 20 metros y las respectivas frecuencias

3º Comparar con los resultados que obtenemos en la gráfica

4º Obtener conclusiones si los resultados no son parecidos

Sea cual sea el resultado, mantenemos la gráfica porque lo importante es apreciar las ventajas de ciertos cables a elevadas frecuencias

 

 

2. DISTORSIÓN de las señales radioeléctricas

Distorsión es sinónimo de cambio de la señal desde que se transmite hasta que llega a destino.

En una señal compuesta, donde tenemos componentes de distintas frecuencias, las componentes viajan con una velocidad media diferente y, al llegar a destino, conforman una señal que no es EXACTAMENTE igual que la original.

Distorsión de una señal por efecto de componentes

Explicamos esto un poquito.

La velocidad de la luz en el vacío es constante e independiente de su longitud de onda y tiene un valor de 3*108 m/2. Pero esto no es así cuando tratamos de otro medio, como por ejemplo, un cristal, prisma, agua, etc,  la velocidad de la onda depende de la longitud de onda  de la señal en otros medios que no es el vacío.

Esto es debido a las estructuras moleculares de los materiales , siendo  responsable  de que el índice de refracción dependa de la longitud de onda.dispersion luz en prisma

guía de ondaTodo ello nos lleva a suponer que cuando una señal radioeléctrica pasa por medios diferentes al vacío, sus componentes se dispersan  en ese medio, no llegando a destino al mismo tiempo. Ya tenemos la distorsión.

En el espacio, encontramos moléculas de aire que pueden provocar este efecto, pero donde es mas acusado son en las guía de ondas, empleadas en radioenlaces de alta potencia.

Mostramos una ilustración para mostrar el efecto que tienen las componentes de frecuencia de una señal dentro de la cavidad de una guía de onda, donde se aprecia que, saliendo en el mismo lugar, llegan en momentos diferentes.

retardo en componentes en guía de onda

Hemos representado como c1 y c2  dos componentes en frecuencia de la señal. La componente c2 llega antes que c1 dando lugar a la  distorsión.

 

3 Ruido en los sistemas de radioenlace

Se define el ruido como cualquier energía eléctrica que aparece en algún lugar de la transmisión de la señal, perturbando la comunicación.

Ya vimos en temas anteriores el ruido rosa, blanco , impulsivo, y ahora nos centramos en el RUIDO ELÉCTRICO EXTERNO

El ruido externos se produce fuera del sistema, acoplándose dentro del sistema. Entre ellos tenemos:

  1.  Ruido cósmico. Es debido principalmente a el Sol , que es una poderosa fuente de radiación , y de otras astros como las estrellas, de menor intensidad
  2. Ruido atmosférico. Producida fundamentalmente por los rayos, ( descarga de electricidad estática ).
  3.  Ruido impulsivo. Tiene forma de pico ( señal de amplitud alta y periodo breve ) cuyo origen son las líneas de potencia, iluminación, etc.
  4.  Ruido inducido. Originados por motores y electrodomésticos, actuando como antenas emisoras de radiofrecuencia.
  5. Ruido de interferencia o diafonía NEXT. Originadas por el acoplamiento entre las líneas de los equipos que transportan las señales, actuando una como una antena emisora y la otra como una receptora.

Pasamos ahora al estudio del cálculo para un radioenlace  considerando los aspectos anteriores. En la atenuación veremos mas a fondo la ecuación de friis

4 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.

En la presentación anterior,  se mostraba una relación como se muestra en la imagen

ecuacion friis

El autor emplea el término Lfs para indicar la pérdida del sistema en dBm. Vamos a demostrar porque sale ese término en el apartado de Saber más ( puede entrar en examen )

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Se define Lfs como el log de la relación entre Potencia transmitida y recibida. Aplicamos la ecuación de friis y no da:

friis 1

También sabemos que la relación entre la velocidad de la luz y longitud de onda, viene dado por c = λ/T ( con λ la longitud de onda y T el periodo, que es la inversa de la frecuencia. Por tanto, se puede sustituir  λ como  c/f. La expresión anterior nos queda:

friis 2

Ahora, seguimos moviendo términos, pero vamos a pasar los metros de r ( distancia ) a km  y los Hz a GHz,. En el caso de la distancia, nos queda r= 103  Km.

Al estar elevado al cuadrado, esa expresión nos queda como r2   ( en KM ) *   106

De igual modo, la frecuencia queda como f2   ( en GHz ) *   1018. Sale un número tan grande porque hemos elevado el 9 del Ghz al cuadrado. La ecuación anterior nos queda:

friis formula 3

La expresión anterior, desarrollando el cociente, queda

frris 4

El primer término nos da 92,44, lo que da lugar a la expresión inicial

friis 5 

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.

5 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.

zona de fresnel

En la Imagen superior se muestra las Rupturas de la zona de fresnel por paso de vehículos, baja altura de emisor-receptor o crecimiento  de plantas.

  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 distancia  máxima tenemos la fórmula:

 radio maximo zona fresnel

donde f es la frecuencia dada en Ghz  y D es la distancia  dada 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. Solución  en parte inferior. El alumno debe procurar resolverlo por sí mismo si ver el proceso

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  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. Además vamos a sustituir la longitud de onda por la frecuencia de forma que λ = c/f Sustituyendo en la fórmula tenemos:

fresnel simplificado 1

Si ahora sustituimos c , tenemos:

fresnel simplificado 2

El 106  se utiliza junto a otro  10 utiliza que viene del Km para tener un  109 que . Esa es la razón por la que la frecuencia que hay que poner sea GHz

Por tanto,  D viene en Km y f en GHz.

6 Radio digital por satélite

DAB  de coche
DAB ( Digital Audio Broadcasting ) . De poca implantación debido al precio de los receptores, ofrece características como alta calidad de sonido ( CD ) y frecuencia única.
Si en AM tenemos un rango de 540-1600 KHz, en FM 87,5-108 MHz y TDT de 470 - 790 MHz, en DAB  las frecuencias de trabajo está en el rango 1492 1592 MHZ
 


 

  Great IdeaActividades:

Una onda electromagnética pierde energía debido a......

Un cable coaxial respecto a un par de cobre tiene mas o menos perdidas ?. Razona la respuesta en base al diagrama de la presentación

Qué es el efecto Skin. Ayuda con tres dibujos

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 ?

Un cable de fibra trabaja con luz de 850 nm.

a)  Calcular que pérdida tenemos a los 10 Km si la  longitud total es de 60 km, la salida del transmisor es 30 mW, la pérdida  de los conectores es de  4 dB,  la pérdida por empalme es 0.15 dB ,  los empalmes se sitúan cada 2 Km y la pérdida de la fibra es de 0.35 dB/km.

b) Calcular la potencia en el receptor dados en dBm

  Un cable coaxial está acoplada  entre la fuente ( que suministra 10 W )  y carga y tiene una  pérdida de 1.5 dB/100 m. Calcular los  W que tenemos en una  carga situada a 27 m

Mostrar/Ocultar Solución

  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 => expresion

En  una torre tenemos un generador de 20W para alimentar una antena que está a 40 metros. Si el cable  tiene una perdida de 2dB/100 metros, ¿  que potencia le llega a la antena?.

   Calcular la potencia que tenemos a la salida de la antena receptora cuya ganancia directiva  tiene un valor de  5 y una eficiencia del 80%,situada  a una distancia de  20Km de la antena transmisora de ganancia directiva 4 con eficiencia del 70% que  recibe una  potencia de entrada de 40W. La frecuencia de trabajo es de 150MHz.

Mostrar/Ocultar Solución

solucion problema friss

Busca en Internet qué modelos de coches tienen el DAB

10º La brújula es un instrumento sencillo y muy útil para nuestro trabajo. Además, los smartphone 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

11º Trabajo Optativo.  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 )

Proyectos de radioenlace:

Veremos primero un video sobre Radioenlace

Práctica 1. Las empresas de redes WIFI tienen herramientas que facilitan mucho el diseño de enlaces. Vamos a usar una de ellas para obtener un proyecto que reúna los siguientes criterios

  1.  Localizar dos puntos en el mapa ( dos domicilios, una empresa y una vivienda, etc ) cuya distancia esté a menos de 20 km
  2. La página para situar los puntos de enlace y que facilita los materiales a usar es  https://link.ubnt.com.
  3. Hacer los ajustes adecuados para que los materiales sean mínimos, por ejemplo, no demos excesiva altura a la antena, porque ello va a encarecer el proyecto
  4. Hacer un análisis de la aplicación. En este apartado hay que ir modificando las variables y ver cómo responde el enlace. En estos apartados tenemos que indicar la variable que se modifica, el resultado en la velocidad de enlace o ganancia y las imágenes ( pantallazos ) antes y después del cambio. Algunas de ellas que tenemos que recoger en la memoria son:
  5. Modificar la frecuencia de trabajo y ver cómo influye en la velocidad de transmisión
  6. Modificar la ganancia de cada antena. Que parámetros vemos que cambia ?
  7. Si bajamos los mástiles hasta que se toca la zona de fresnel, la velocidad de transmisión no varía.- Porqué ?
  8. selector tipo enlaces  Cuando pasamos de enlace punto a punto a enlace de varios puntos ( ver imagen  adjunta),  vemos que las antenas que podemos elegir cambian. Porqué ?
  9. Añadir alguna otra variable que se considere importante.
     
  10. Hacer la memoria completa, recogiendo cada paso y justificando los materiales que se usan
  11. Hacer una hoja de calculo donde se pueda determinar el precio final del proyecto, incluido el desplazamiento y la mano de obra. Por ejemplo, para un determinado material tenemos que añadir las  columnas de  referencia, nombre, unidades, precio unidad y  precio total. El IVA ( 21%) se añade al final
  12. Se puede buscar en Internet información extra escribiendo ubiquiti rocket m5 datasheet.
  13. Otra página con herramientas para calcular la zona de fresnell: http://www.radioenlaces.es/articulos/calculo-de-radioenlaces/

Práctica 2

Tenemos algunos equipos en el centro que vamos a usar para hacer un radio enlace. para ello vamos a seguir la guía del fabricante y algunos video tutórales, que son

1º Video formativo de radioenlace y  qué equipo elegir -> https://youtu.be/1BdsW3RyKbE

2.1º Para los que tengan equipos Ubiquiti, mirar el tutorial de montaje de la antena LBE-5AC-Gen2 -> https://dl.ubnt.com/qsg/LBE-5AC-Gen2/LBE-5AC-Gen2_ES.html

Vídeo  de puesta en marcha de equipos Ubiquiti

2.1º Para los que tengan equipos Tp-link, tenemos dos videos para la puesta en marcha como cliente y como punto de acceso.

Vídeo  de puesta en marcha de equipos Ubiquiti como punto de acceso

Vídeo  de puesta en marcha de equipos Ubiquiti como Cliente

 

Siguiendo los pasos y el manual, hacer un enlace dentro del aula o de aula a exterior, de forma que pasemos suministremos Internet al equipo remoto.

La memoria debe recoger cada paso junto a la imagen explicativa, así como los ajustes pertinentes, utilizando la menor potencia posible de transmisión para la mejor velocidad de transmisión

Añadir todas las observaciones de interés que encontremos en la realización de la práctica


 Practica 3

Una vez visto los programas de ayuda de marca, veremos uno general para poder usar otros componentes. Una de ellas es 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. En el caso del alumno, los puntos de enlace deben ser los mismos que en la práctica anterior
  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
  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  y la pérdida total ( 156.52 - 94.45 ) = 62.07 dB
3º Práctica  (voluntaria )

También tenemos la posibilidad de instalar las herramientas de radio mobile en nuestro PC. Para ello, dejo documentación que se muestra en el siguiente enlace

Mostrar/Ocultar Práctica Instalación Radio Mobile

Parte 2.

Instalación del programa completo en el pc.  Antes de nada, tenemos que estos vídeos de un colega de Venezuela:

1º Parte

2º Parte

Proceso :

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 sobre el programa ya alojado en un servidor

2º Si queremos instalarlo, ( lo haremos ) debemos de seguir la guía indicada en la sección download

 3º Tenemos que elegir 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, línea directa ( en rojo ) y los datos de la transmisión y recepción

 Los valores mas significativos son los  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

 

 

 

Diseño PCB Principios básicos de antenas

Ciclo de Grado Medio Instalaciones de Telecomunicaciones. Ies Mare Nostrum. Málaga