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Sistemas de radiocomunicaciones

Para repasar los conceptos, 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

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.

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

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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.

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 = Æ’*λ. Solución al final de página

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

2.2.2 Sistemas de radio y televisión por satélite

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
 

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.

Actividad 2. Calcular el tiempo de descarga de un vídeo que ocupa 20 MB empleando una línea 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 además pueden desplazarse en la comunicación, si por ejemplo uno de ellos va en coche ). Para que el proceso se efectúe con garantías, 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  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

Sistemas móvil celular públicos y privados  

Dentro de los Privados:
La necesidad de establecer comunicaciones con características diferentes a las públicas , producen el desarrollo de otros sistemas que son utilizados por cuerpos de seguridad, compañías privadas, servicios de socorro, etc
Las ventajas que ofrece estos sistemas son:

1º Comunicaciones de usuario a varios usuarios. De esta forma, un operario habla y varios escuchan. Esto no ocurre con la pública.

2º Puede definirse un grupo cerrado de usuarios.

3º Tecnología PTT ( push to talk ). Si pulsas hablas. Si dejas de pulsar, escuchas
Tenemos dos sistemas ( PAMR , PMR y TETRA ) , cada una con características específicas. Destacaremos el TETRA, que ofrece algunas ventajas como son
Destinado a cuerpos de seguridad , emergencia y transporte

  1. Uso de modulación digital DQPSK ( Una variante de la QPSK )
  2. Amplia cobertura gracias al uso de los dispositivos como puerta de enlace. Si un operario está en la frontera de cobertura de la antena principal, su dispositivo hace de emisor para comunicarse con otros usuarios que estén fuera de la cobertura de la base
  3. Sistema muy estable frente a incidencias ( más robusto ).
  4. Puede trabajar en modo terminal a terminal, en caso de fallo en las comunicaciones.
  5. Posibilidad de llamadas punto a punto, punto a multipunto y entre varios usuarios.
  6. Banda de 400 MHz, que permite mayor alcance respecto a otros que usan mayores frecuencias.
  7. Si existe necesidad de llevar un sistema completo TETRA a un punto lejano a la base, por medio de sistemas móviles, el tiempo necesario para hacerlo operativo es pequeño comparado con otros sistemas
     

  Great IdeaActividades:

1º Una onda electromagnética pierde energía debido a......

2º Un cable coaxial respecto a un par de cobre tiene mas o menos perdidas ?. Razona la respuesta en base al diagrama de la presentación

3º Qué es el efecto Skin. Ayuda con tres dibujos

4º 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 ?

5º 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

6º  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

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  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

7º 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?.

8º   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.

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solucion problema friss

9º 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

Parte 1º. ( He dejado un pdf en DRIVE con el título Calculo De Radioenlace 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
  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

2º Parte. Realizar la misma tarea, con los mismos puntos de trabajo y equipos, usando el programa de https://link.ubnt.com. Otra  página con herramientas para calcular la zona de fresnell: http://www.radioenlaces.es/articulos/calculo-de-radioenlaces/

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

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