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TEMA 1: FUNDAMENTACIÓN TEORICA

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TEMA 1: FUNDAMENTACIÓN TEORICA

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  1. Sistemas de Radiocomunicaciones TEMA 1:FUNDAMENTACIÓN TEORICA Especialización en Telecomunicaciones Digitales SISTEMAS DE RADIOCOMUNICACIONES

  2. Sumario Introducción Radiación y Características de las ondas Espectro Electromagnético Bandas de frecuencias de sistemas de radio Densidad de Potencia, Intensidad de Campo Impedancia Características Rayos y frentes de ondas

  3. Sumario Atenuación y Absorción Propiedades Ópticas de las Ondas Clasificación de las Transmisiones Zonas de Fresnel Análisis del Enlace de Comunicaciones

  4. INTRODUCCION Iniciamos este curso, brindándole varios conceptos útiles para el desarrollo de la materia

  5. LA RADIOCOMUNICACION Justificación de su estudio

  6. RADIACIÓN ELECTROMÁGNETICA • Es la forma de propagarse las ondas a través del espacio libre. • Se forma con la coexistencia de un vector de campo eléctrico y un vector campo magnético ortogonales entre sí en todo momento. Sin uno de los dos, no existe la onda electromagnética. • Para una onda TEM la dirección de desplazamiento es perpendicular a la dirección de propagación.

  7. RADIACIÓN ELECTROMÁGNETICA Vista espacial de una onda TEM TEM: Transverso Electro-Magnético

  8. CARACTERÍSTICAS DE LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS • Velocidad de la onda: las ondas viajan a diferentes velocidades en dependencia del tipo de onda y del medio de transmisión a través del cual se propaguen. • a)Las ondas de sonido se propagan a 1100 pies/seg (330 m/seg) en la atmósfera normal. • b) Las ondas electromagnéticas viajan mucho más rápido debido a que poseen mayor frecuencia. • c) Si se considera el espacio libre (en el vacío), las ondas TEM viajan a la velocidad de la luz, es decir a 3x108 m/seg. • d) Si se considera líneas de transmisión, las ondas electromagnéticas viajan mucho más lentas debido a las características físicas de la línea.

  9. CARACTERÍSTICAS DE LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS Frecuencia y longitud de onda: Las oscilaciones que están presentes en las ondas electromagnéticas son periódicas y repetitivas, por lo cual se caracterizan por una frecuencia. La distancia de un ciclo ocurriendo en el espacio, se llama la longitud de onda y se determina por la ecuación:

  10. EL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO Es el conjunto completo de todos los tipos de radiación electromagnética, cada tipo de radiación tiene una frecuencia y longitud de onda que la caracteriza. Espectro de Frecuencias Electromagnéticas

  11. Designación de la Banda Intervalo de Frecuencia Intervalo de longitud de onda. (espacio libre) ELF < 3 KHz > 100 km VLF 3 a 30 KHz 10 a 100 km LF 30 a 300 KHz 1 a 10 km MF 300 KHz a 3 MHz 100 m a 1 km HF 3 a 30 MHz 10 a 100 m VHF 30 a 300 MHz 1 a 10 m UHF 300 MHz a 3 GHz 10 cm a 1m SHF 3 GHz a 30 GHz 1 a 10 cm EHF 30 a 300 GHz 1 a 10 mm INFRARROJO 8*1011 a 4*1014 Hz 80 a 400 um LUZ VISIBLE 4*1014 a 7.5*1014 Hz 40 a 80 um LUZ ULTRAVIOLETA 7.5*1014 a 1016 Hz 1.2 a 40 um RAYOS X, RAYOS GAMMA 1016 a 1020 Hz 0.6 a 1.2 um RAYOS COSMICOS > 1020 Hz < 0.6 um Clasificación de las Bandas de Frecuencias de radio

  12. Clasificación de las Bandas de Frecuencias de radio

  13. ¿Que es el espacio libre? ¿Cómo lo concebimos? PROPAGACIÓN EN EL ESPACIO LIBRE Se define idealmente como un medio homogéneo, sin corrientes o cargas conductoras presentes, y sin objetos que absorban o reflejen energía radioeléctrica.

  14. Las pérdidas o atenuación, se pueden calcular por la ecuación: PROPAGACIÓN EN EL ESPACIO LIBRE Expresada en unidades de dB, se tiene: Con f en MHz y d en km

  15. Área de Superficie Flujo de Energía Dirección de Propagación Densidad Espectral de Potencia DENSIDAD DE POTENCIA Las ondas EM representan el flujo de energía en la dirección de propagación. La proporción en la cual la energía cruza por una superficie dada, en el espacio libre, se llama densidad espectral de potencia. La densidad de potencia es energía por unidad de tiempo por unidad de área, la cual normalmente se da en watts por metro cuadrado.

  16. INTENSIDAD DE CAMPO La intensidad de campo es la intensidad de los campos eléctricos y magnéticos de una onda electromagnética propagándose en el espacio libre. Las unidades de la intensidad de campo eléctrico normalmente son volts por metro y la intensidad de campo magnético en amper-vuelta por metro.

  17. ECUACIÓN DE DENSIDAD DE POTENCIA La densidad de potencia se puede determinar por la ecuación: donde: P: densidad de potencia (W/m2) E: intensidad de campo eléctrico en rms (V/m) H: intensidad del campo magnético en rms (At/m)

  18. IMPEDANCIA CARACTERÍSTICA DEL ESPACIO LIBRE Las intensidades de los campos eléctrico y magnético de una onda magnética, en el espacio libre, se relacionan por la impedancia característica (resistencia) del espacio libre. en donde: Zs: impedancia característica del espacio libre (ohms) o: permeabilidad magnética del espacio libre (1.26x10-6 H/m) o: permitividad eléctrica del espacio libre (8.85x10-12 F/m)

  19. IMPEDANCIA CARACTERÍSTICA DEL ESPACIO LIBRE Reemplazando los valores en la ecuación anterior, se tiene que la impedancia del espacio libre es: La impedancia característica de un medio de transmisión sin pérdidas es igual a la raíz cuadrada de la relación de su permeabilidad magnética con su permisividad eléctrica y para el espacio libre vale 377 ohmios.

  20. Rayo Rayo RAYOS Y FRENTES DE ONDAS Un rayo es una línea dibujada a lo largo de una dirección de propagación de la onda electromagnética. Los rayos se usan para mostrar la dirección relativa de la propagación de la onda electromagnética. Sin embargo, un rayo no necesariamente representa la propagación de una sola onda electromagnética.

  21. Superficie de fase constante Frente de Onda FRENTES DE ONDAS • Un frente de onda muestra una superficie de fase constante de una onda. • Un frente de onda se forma cuando los puntos de igual fase sobre rayos propagados de la misma fuente se unen.

  22. Fuente FRENTES DE ONDAS • Cuando la superficie es plana, su frente de onda es perpendicular a la dirección de propagación. • Entre más cerca esté a la fuente, más complicado se hace el frente de onda.

  23. Rayos Casi Paralelos Distancia muy grande Fuente Puntual FRENTES DE ONDAS Una fuente puntual es una ubicación sencilla en la cual los rayos se propagan igualmente, en todas las direcciones (una fuente isotrópica). En el espacio libre y a una distancia suficiente de la fuente, los rayos dentro de un área pequeña de un frente de onda esférica, son casi paralelos. Por lo tanto, entre más lejos esté de la fuente, más parece la propagación de ondas como un frente de onda plana.

  24. FRENTES DE ONDAS ESFERICO La potencia a una distancia R de la fuente, se puede determinar por: Pr = potencia total radiada (watts) R = radio de la esfera (el cual es igual a la distancia desde cualquier punto en la superficie de la esfera a la fuente) 4πR2 = área de la esfera

  25. FRENTES DE ONDAS ESFERICO Ley inversa cuadrática Frente de onda esférica de una fuente isotrópica

  26. FRENTES DE ONDAS ESFERICO Ley inversa cuadrática De la ecuación se deduce que conforme la distancia de la fuente se duplica la densidad de potencia disminuye por un factor de 22 o 4. ¿Físicamente como se explica este fenómeno?

  27. ATENUACIÓN Y ABSORCIÓN DE ONDAS La reducción en la densidad de potencia con la distancia es equivalente a la pérdida de potencia y comúnmente se llama atenuación de onda, como se vió, se expresa así: La ecuación describe la reducción en la densidad de potencia con la distancia de la fuente. Conforme se aleja un frente de onda de la fuente, el campo electromagnético contínuo, que es radiado desde esa fuente, se dispersa.

  28. ATENUACIÓN Y ABSORCIÓN DE ONDAS Generalmente se expresa como un logaritmo (pérdida en dB). Matemáticamente, la atenuación de la onda es: Recordemos nuevamente: Conforme se aleja un frente de onda de la fuente, el campo electromagnético contínuo, que es radiado desde esa fuente, se dispersa.

  29. ATENUACIÓN Y ABSORCIÓN DE ONDAS Causas: La atmósfera se compone de átomos y moléculas de varias sustancias, tales como gases, líquidos y sólidos. Algunos de estos materiales son capaces de absorber las ondas electromagnéticas. Consecuencias Onda Atenuada Onda Incidente Átomos y moléculas de la atmósfera

  30. ATENUACIÓN Y ABSORCIÓN DE ONDAS Comparación de la atenuación de la onda para dos medios: con vapor de agua y con oxigeno.

  31. PROPIEDADES ÓPTICAS DE LAS ONDAS DE RADIO En la atmósfera de la Tierra, la propagación del frente de onda-rayo puede alterarse por el comportamiento del espacio libre por efectos ópticos como: La refracción, puede describirse como un doblamiento La reflexión, como un salto La difracción, como esparcimiento La interferencia, como una colisión Se llaman propiedades ópticas, porque fueron observadas primero en la ciencia de la óptica.

  32. ¿Como viajan las ondas electromagnéticas de un lugar a otro para llevar sus mensajes? Propagación de Ondas

  33. PROPAGACIÓN DE ONDAS • Hay tres formas de propagación de las ondas electromagnéticas: • Ondas de tierra • Ondas espaciales (que incluyen tanto ondas directas como ondas reflejadas a tierra) • Propagación de onda del cielo.

  34. PROCESO DE PROPAGACIÓN DE ONDAS Link Link Link La figura muestra los modos normales de propagación entre dos antenas de radio

  35. PROCESO DE PROPAGACIÓN DE ONDAS Estrategias de propagación útiles para ampliar cobertura, aumentar niveles de señal en el receptor, etc.

  36. Los transmisores se clasifican según el ancho de banda, tipo de modulación y tipo de información modulante que emplean. Esta clasificación es establecida por la FCC. Se identifican por un código de tres símbolos, los cuales incluyen letras y números. CLASIFICACIÓN DE TRANSMISORES

  37. CLASIFICACIÓN DE TRANSMISORES 1er. Símbolo: es una letra e indica tipo de modulación empleada. Ejemplo: amplitud, frecuencia, fase, pulso, ninguna. 2do. Símbolo: es un número que indica tipo de emisión. Ejemplo: analógica, digital, etc.

  38. CLASIFICACIÓN DE TRANSMISORES 3er. Símbolo: letra que indica el tipo de modulante transmitida. Ejemplo: datos, telefonía, etc. Ejemplos: 1) J3E 2) A3E 3) C3F 4) H3D VER TABLA DE CLASIFICACIONES

  39. La zona de Fresnel es una zona de despeje adicional que hay que tener en consideración en un enlace microonda punto a punto, además de la visibilidad directa entre las dos antenas. Este factor deriva de la teoría de ondas electromagnéticas, respecto de la expansión de las mismas al viajar en el espacio libre. ZONAS DE FRESNEL

  40. ZONAS DE FRESNEL Esta expansión resulta en reflexiones y cambios de fase al pasar sobre un obstáculo. El resultado es un aumento o disminución en el nivel de intensidad de la señal recibida.

  41. ZONAS DE FRESNEL CONSIDERACIONES PRACTICAS: a) La obstrucción máxima permisible para considerar que no hay obstrucción, es el 40% de la primera zona de Fresnel. b) La obstrucción máxima recomendada es el 20%.

  42. ZONAS DE FRESNEL VISUALIZACION DE LAS ZONAS DE FRESNEL. Para establecer las zonas de Fresnel primero debemos determinar la línea de vista, que en términos simples es una línea recta entre la antena transmisora y la receptora. Ahora la zona que rodea el LOS son las zonas de Fresnel.

  43. ZONAS DE FRESNEL CALCULO DE LAS ZONAS DE FRESNEL La fórmula genérica de cálculo de las zonas de Fresnel es: Donde: rn es el radio de la enésima zona de Fresnel [m]. d1 es la distancia desde el transmisor al objeto en [Km]. d2 es la distancia desde el objeto al receptor en [Km]. d es la distancia total del enlace en [Km]. f es la frecuencia en [MHz].

  44. CALCULO DE LAS ZONAS DE FRESNEL Si se considera d1=d2, la fórmula queda como:

  45. CALCULO DE LAS ZONAS DE FRESNEL Si se considera d1=d2, la fórmula permite determinar el radio de la primera zona de Fresnel

  46. Realice los cálculos en cada una de las siguientes situaciones. Establezca conclusiones para cada caso. ZONAS DE FRESNEL

  47. Sistema Analógico En un sistema analógico, en el cual el ancho de banda del ruido suele ser mayor que el ancho de banda de la señal, a menudo se recurre a la razón promedio de potencia sobre ruido de la portadora, o (Pr/N), como el SNR de interés particular. Análisis del Enlace de Comunicación

  48. Sistema Analógico Análisis del Enlace de Comunicación Modelo simplificado de un Enlace de Comunicaciones

  49. Análisis del Enlace de Comunicación La potencia se puede calcular como:

  50. Análisis del Enlace de Comunicación Pr= potencia de señal recibida en la entrada del detector, W N = KTeB = potencia del ruido térmico a la entrada del detector, W K = constante de Boltzmann, 1.38x10-23 J/K Te = temperatura de ruido equivalente del sistema, K B = ancho de banda a la entrada del detector, Hz EIRP = Pt Gt = potencia radiada isotropicamente equivalente, W Pt= potencia transmitida, W Gt= ganancia de la antena de transmisión, adimensional. Gr= ganancia de la antena de recepción, adimensional. Gr/Te = factor de merito, razón de ganancia sobre temperatura de ruido equivalente del sistema, K-1 Lp= (4πd/λ)2 = perdida de espacio libre, ya definida. Loe= otras perdidas externas = perdidas atmosféricas + perdida por polarización de antena + perdida por direccionamiento de antena. Loi= otras perdidas internas = perdida del circuito de transmisión + perdida del circuito de recepción + perdida por ruido de intermodulación.