TEMA 2: Fundamentos de la Tecnología Inal á mbrica

1. TEMA 2:Fundamentos de la Tecnología Inalámbrica Profesora María Elena Villapol mvillap@ciens.ucv.ve

2. Conceptos Básicos • Radio Frequency (RF) o Tecnología Inalámbrica: • Incluye la generación, manejo, transmisión y recepción de ondas de radio. • Y su uso para transmitir información. • “Cualquier cosa relacionado a señales electromagnéticas”. • Las señales electromagnéticas o señales RF se caracterizan por: • Frecuencia. • Amplitud.

3. Conceptos Básicos • Señal sinusoidal • Es una forma de onda que se representa mediante una serie de ondas seno o coseno. • Amplitud pico (A) • Máxima fuerza de la señal • Frecuencia (f) • Tasa de cambio de la señal • Hertz (Hz) o ciclos por segundo • Período = tiempo de una repetición (T) • T = 1/f • Fase () • Posición relativa en el tiempo • Por ejemplo, se puede escribir como S(t) = A sen (2ft + )

4. Conceptos Básicos

5. Conceptos Básicos Análisis Espectral Dominio del tiempo y de la frecuencia

7. Conceptos Básicos • Bandas de frecuencias:especifican un determinado rango de frecuencias. • Algunas bandas de uso frecuente son: • HF High Frequency 3 MHz - 30 MHz • VHF Very High Frequency 30 MHz - 300 MHz • UHF Ultra High Frequency 300 MHz - 3 GHz • SHF Super High Frequency 3 GHz - 30 GHz • EHF Extra High Frequency 30 GHz - 300 GHz

8. Conceptos Básicos • Rango Microonda: • L banda 1GHz - 2 GHz • S banda 2GHz - 4GHz • C banda 4GHz - 8GHz • X banda 8GHz - 12GHz • Ku banda 12GHz - 18GHz • K banda 18GHz - 27GHz • Ka banda 27GHz - 40GHz • Bandas ISM (Industrial, Scientific and Medical) (ver ITU-T S5.138 S5.150) – bandas no licenciadas: • “900MHz” ISM banda 902MHz - 928MHz (Americas only) • “2.4GHz” ISM banda 2400MHz - 2483.5MHz • ”5GHz” ISM banda 5725MHz - 5875MHz

11. Conceptos Básicos • Ancho de banda • Usualmente usado para expresar la cantidad de información transportada en cierto tiempo. • Una definición más especifica: • Ancho del rango de frecuencias que una señal eléctrica ocupa. • Se expresa como la diferencia entre el componente de la señal de más alta frecuencia y el de menor frecuencia. • Por ejemplo: • Transmisión de voz tiene aprox. 3kHz. • Radio FM tiene 200 kHz. • TV tiene 6 MHz.

12. Conceptos Básicos • La velocidad de transmisión en bit/s es proporcional al ancho de banda disponible. • El factor de proporcionalidad depende de la eficiencia del método de modulación empleado.

13. Conceptos Básicos • Cantidad de Información. Si el número de niveles o estados de una señal es M, la cantidad de información asociada es • I= log2 M • Velocidad de Información. Si cada impulso de señal posee M estados o niveles,y se transmite en un tiempo Tb, la velocidad de información es • Vi= I/Tb = log2 M/Tb • Velocidad de Modulación. Es la cantidad de estados o niveles que se transmiten en un segundo. Si la duración del estado es Tb, la velocidad de modulación es • Vb = 1/Tb baudios • Vi = Vb log2 M bits/s (bps)

14. Conceptos Básicos • Capacidad del Canal: • Cantidad de información que se puede transmitir por unidad de tiempo, expresada en bps • C = B log 2(1 + S/N) • A menudos e confunde con el ancho de banda y la velocidad de transmisión.

15. Conceptos Básicos • Longitud de onda: • Distancia ocupada por un ciclo. • Distancia entre dos puntos que tienen fase correspondiente en dos ciclos consecutivos. • Asumiendo que la velocidad de la señal es v •  = vT •  = v/f • Un caso particular es cuando v=c = 3*108 m/s (velocidad de la luz en el espacio libre)

16. Conceptos Básicos • La potencia de una señal es medida en Watts (W). • El decibelio (dB) es una expresión logarítmica que mide el radio entre la potencia, voltaje o corriente de dos señales. • PdB = 10 Log10 (P2/P1) • P1 potencia señal 1 • P2 potencia señal 2 • Cuando la cantidad en decibelios es positiva entonces hablamos de ganancia. • Caso contrario es un pérdida.

17. Conceptos Básicos

18. Decibelios dBm • dBm usualmente usado en WLANs. • PdBm = 10 log10 (PWATTS/1mW) • 1mW = 0,001 Watts

19. Decibelios dBm

20. Antenas • Dispositivo usado para transformar una señal RF, viajando sobre un conductor, en una onda electromagnética en el espacio libre. • Reciprocidad: se refiere al hecho que una antena conserva sus mismas características sin importar que este trasmitiendo o recibiendo.

21. Antenas • Ancho de banda: • Rango de frecuencias sobre el cual la antena puede operar. • Directividad (Directivity): • Habilidad de una antena de enfocar la energía en una dirección en particular cuando transmite o de recibir energía mejor de una dirección particular cuando esta recibiendo.

22. Antenas • Patrón de radiación: • Distribución relativa de la potencia radiada en el espacio. • Una gráfica de la intensidad de campo emitido en función del ángulo a partir de la dirección de máxima emisión.

23. Antenas

25. Antenas: Patrón de Radiación Tridimensional

26. Antenas • Ancho del Haz (beamwidth): • Conocido también como mitad de la potencia del ancho del rayo. • El ángulo que subtienden los dos puntos sobre el lóbulo principal del patrón de potencia del campo al cual la potencia pico del mismo se reduce en 3 dB. • Se busca la intensidad de la radiación pico y los puntos a ambos lados del pico que representan la mitad de la potencia de la intensidad pico.

27. Antenas • Polarización: dirección del campo eléctrico emitido por una antena. • Puede ser: • Vertical • Horizontal • Elíptica • Circular

28. Antenas

29. Antenas

30. Tipos de Antenas • Antena isotrópica (ideal) • Radia potencia en todas las direcciones por igual. • Produce un campo electromagnético útil en todas las direcciones con igual intensidad y 100% de eficiencia

31. Tipos de Antenas • Antenas dipolo • Antena “Half-wave dipole” (o antena Hertz). • Antena “Quarter-wave vertical” (o antena Marconi).

32. Antena Half-Wave Dipole • La antena más corta que puede ser usada para radiar señales en el espacio libre. • Está formada por un conductor eléctrico recto. • Este mide ½ la longitud de onda. • Es una de las antenas más simples.

33. Antena Quarter-Wave Dipole • Es un cuarto de la longitud de onda de la frecuencia transmitida o recibida. • También conocida como antena Marconi. • Es una antena que necesita estar en contacto directo con tierra para poder tener las características de una antena half wave dipolo.

34. Antena Quarter-Wave Dipole • La radiación esta compuesta por: • Señal radiada por la antena. • Reflexión de la tierra (llamada imagen espejo). • Otro método de obtener imágenes reflejadas es a través del uso de planos a tierra.

35. Tipos de Antena • Según la frecuencia y el tamaño: • Los tipos de antena varían de acuerdo a las bandas de frecuencias donde se vayan a utilizar. • El tamaño de la antena varía también de acuerdo a la longitud de onda en las diferentes frecuencias.

36. Tipos de Antena • Directividad: • Omnidireccionales: • Radian el mismo patrón alrededor de la antena en un patrón completo de 360 grados. • Tipo dipolo • Plano a tierra Antena Omni Direccional de 2.4 GHz.

37. Tipos de Antena • Sectorial: • Radia primariamente en una área específica • El rayo puede oscilar entre 180 grados o ser tan delgado como 60 grados. • Direccionales • El ancho del rayo es mas angosto que las anteriores. • Tienen mayor ganancia y por lo tanto se usan en largas distancias. • Yagi • Biquad • Horn • Helicoidal • Antena de panel • Disco parabólico Antena sectorial Antena Direccional 2.4 GHz

38. Tipos de Antena: Antena Yagi-UDA • 1 Reflector • Directores: • 1 director = 8dBi • 15 directores = 14 dBi

39. Tipos de Antena: Antena Yagi-UDA

40. Tipos de Antena:Antena de Patch o Plana

41. Tipos de Antena:Antena Parabólica • El reflector Parabólico enfoca la señal Puede ser sólido o grillado • 25 cm -15dBi • 1 m X 50 cm -24 dBi • 1 m sol -27 dBi • 2m sol -31 dBi • 3m sol -37 dBi

42. Tipos de Antena: Reciclaje de un Reflector Parabólico • Transceptor colocado en el foco de la parábola. • Puede alcanzar unos 10 km. • Es fácil de construir y de bajo costo. • Se puede utilizar en el interior.

43. Tipos de Antena: Antena Parabólica con Reflectores Grillados

44. Tipos de Antena: Antena Guía-Onda o “Cantenna” • Tubo metálico tapado en un extremo dotado de un elemento activo de ¼ λ (= 12 cm a 2,4 GHz). • El diámetro debe ser tal que se pueda propagar el modo fundamental pero se atenúen los modos superiores. • En 2,4 GHz esto significa que el diámetro debe ser mayor que 73 mm y preferiblemente menor que 95 mm. • La longitud no es crítica, idealmente > 2 λ.

45. Tipos de Antena: Antena Guía-Onda o “Cantenna” • Dentro de la guía se forma una onda estacionaria, que tiene un nulo en el fondo del tubo. • El elemento activo debe posicionarse en un máximo de la onda estacionaria, el cual ocurre a ¼ λg. • λg es la longitud de onda de la onda estacionaria dentro de la guía.

46. Tipos de Antena: Antena Guía-Onda o “Cantenna” • La longitud de onda de corte depende del diámetro de la guía: λc= 1,706 D. • La longitud de onda en el vacío es λ= c/f, con c = 300.000 km/s. • (1/ λ)2 = (1/ λc)2 + (1/ λg)2. • De donde: λg = ( (1/ λ)2 - (1/ λc)2 ) -1/2 o también:

47. Tipos de Antena: Antena Guía-Onda o “Cantenna” • Para la frecuencia de 2,42 GHz, λ = 124 mm, λ/4 = 31 mm

48. Tipos de Antena: Antena Guía-Onda o “Cantenna” • Con una lata de D = 100 mm, λc = 170,6 mm λg = (1/(124)2 – 1/(170,6)2)-1/2 λg = 180,5 mm, λg/4 = 45 mm

49. Ganancia de la antena Potencia de salida, en una dirección particular, comparada con aquel producido por una antena omnidireccional (isotrópica). Área efectiva Relacionada al tamaño y forma de una antena G = ganancia de la antena Ae= área efectiva f = frecuencia portadora c = velocidad de la luz (3 * 108 m/s)  = longitud de la onda portadora Ganancia de una Antena

50. Ganancia de una Antena • dBi es usado para definir la ganancia de un sistema de antena relativo a una antena isotrópica.