Capítulo 2.- Elementos que conforman un sistema de Microondas
2.4 Estaciones de radio de microondas FM
2.4.2 Estación repetidora
La Figura 2.8 muestra el diagrama a bloques de una repetidora de FI de microondas. La señal de RF recibida entra al receptor a través de la red de separación de canales y el filtro pasabandas. El demodulador de recepción convierte la portadora de RF, bajándola a FI. Los circuitos AMP/AGC y el igualador de FI amplifican y reconforman la señal de FI. El igualador compensa las no linealidades de ganancia en función de frecuencia y la distorsión por retardo de evolvente que se introducen al sistema. De nuevo el modulador de transmisión convierte la FI en RF para su retransmisión.
En la repetidora de FI sólo se requiere un generador de microondas para suministrar la señal de portadora RF, tanto al modulador de transmisión como al de recepción. El generador de microondas, el oscilador de desplazamiento y el modulador de desplazamiento permiten que la repetidora reciba una frecuencia de portadora RF, le baje la frecuencia a una FI, para después convertir la FI a una portadora RF de distinta frecuencia.
Figura 2.8 Estación repetidora FI de microondas.
2.5 Características de la trayectoria
Las trayectorias de propagación normales entre dos antenas de radio en un sistema de microondas se muestran en la Figura 2.9. La trayectoria en espacio libre es la trayectoria de línea de vista, directamente entre las antenas transmisora y receptora (también se llama onda directa).
La onda reflejada en tierra es la porción de la señal transmitida que se refleja en la superficie terrestre y la captura la antena receptora.
La onda superficial consiste en los campos eléctrico y magnético asociados con las corrientes inducidas en la superficie terrestre. La magnitud de la onda superficial depende de las características de la superficie terrestre y de la polarización electromagnética de la onda.
La suma de esas tres trayectorias, tomando en cuenta su amplitud y su fase, se llama onda terrestre. La onda reflejada u onda celeste es la parte de la señal transmitida que regresa (se refleja) hacia la superficie terrestre, debido a las capas ionizadas de la atmósfera terrestre. Todas estas trayectorias existen en cualquier sistema de radio de microondas, pero algunas son despreciables en ciertos intervalos de frecuencia.
Figura 2.9 Trayectorias de propagación.
2.6 Ganancia del sistema
La ganancia del sistema es la diferencia entre la potencia nominal de salida de un transmisor, y la potencia de entrada mínima requerida por un receptor. La ganancia del sistema debe ser mayor o igual a la suma de todas las ganancias y pérdidas incurridas por una señal al propagarse de un transmisor a un receptor.
En esencia, representa la pérdida neta de un sistema de radio y se usa para calcular la confiabilidad de un sistema para determinados parámetros del mismo. La ecuación de la ganancia del sistema es:
mín t s P C G = − (2.1) donde: =
G Ganancia del sistema (dB).
= t
P Potencia de salida del transmisor (dBm).
= mín
C Potencia mínima de entrada al receptor para determinado objetivo de calidad
(dBm). y donde: ganancias perdidas C Pt − mín ≥ − (2.2) Ganancias: = t
A Ganancia de la antena de transmisión (dB) en relación con un radiador
isotrópico.
= r
A Ganancia de la antena de recepción (dB) en relación con un radiador isotrópico.
Pérdidas:
=
p
L Pérdida en trayectoria por espacio libre entre las antenas (dB).
=
f
L Pérdida en alimentador de guía de onda (dB) entre la red de distribución (la red combinadora de canales o separadora de canales) y su antena respectiva.
= b
L Pérdida total por acoplamiento o por ramificación (dB) en los circuladores, filtro y
red de distribución, entre la salida de un transmisor o la entrada a un receptor, y su guía de onda de alimentación respectiva.
= m
F Margen de desvanecimiento para determinado objetivo de confiabilidad.
La descripción matemática de la ganancia del sistema es: r t b f P m mín t s P C F L L L A A G = − ≥ + + + − − (2.3)
En donde todos los valores se expresan en dB o dBm. Como la ganancia del sistema es indicativa de una pérdida neta, las pérdidas se representan con valores positivos en dB, y las ganancias con valores negativos en dB. La figura 2.10 muestra un diagrama general de un sistema de microondas, e indica dónde suceden las respectivas pérdidas y ganancias.
Figura 2.10 Ganancias y pérdidas de un sistema de microondas.
2.7 Pérdidas en la trayectoria en espacio libre
Las pérdidas en la trayectoria en espacio libre se definen como la pérdida incurrida por una onda electromagnética al propagarse en línea recta a través del vacío, sin energías de absorción o reflexión debidas a objetos cercanos.
Las pérdidas en la trayectoria en espacio libre dependen de la frecuencia, y aumentan con la distancia. La ecuación para determinar estas pérdidas es la siguiente: 2 2 4 4 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = c fD D LP π λ π (2.4)
donde: =
P
L Pérdidas en la trayectoria en espacio libre (adimensional).
= D Distancia (m). = f Frecuencia (Hertz). = λ Longitud de onda (m). =
c Velocidad de la luz en el espacio libre ( 8 10 3X m/s). Al pasar a dB se obtiene: 2 ) ( 4 log 10 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = c fD LP dB π (2.5) c fD LPdB π 4 log 20 ) ( = (2.6) f D c LPdB 20log 20log 4 log 20 ) ( = + + π (2.7)
Cuando la frecuencia está en GHZ:
) ( ) ( ) (dB 92.4 20log GHz 20log Km P f D L = + + (2.8)
2.8 Potencia isotrópica radiada efectiva
La potencia isotrópica radiada efectiva o PIRE, se define como una potencia equivalente de transmisión, y se expresa como sigue:
t rA P
PIRE= (2.9)
donde:
PIRE= Potencia isotrópica radiada efectiva. =
r
P Potencia de entrada en la antena (watts).
= t
A Ganancia de la antena de transmisión (relación adimensional).
En decibeles es igual a:
(2.10)
[
dBW]
A P
2.9 Relaciones de portadora a ruido y de señal a ruido
La relación de portadora a ruido (C/N) es la relación de potencia de la “portadora” de banda ancha (en realidad, no sólo la portadora, sino también sus bandas laterales asociadas) entre la potencia de ruido de banda ancha (el ancho de banda del ruido en el receptor). La cantidad de C/N se puede calcular en un punto de RF o FI en el receptor. En esencia, C/N es una relación de señal a ruido de predetención, antes del desmodulador de FM. La relación de potencia de la señal a ruido (S/N) es la relación de postdetección, después del desmodulador de FM.
2.9.1 Factor de ruido e índice de ruido
El factor de ruido (F) y el índice de ruido (NF) son cifras de calidad para indicar cuánto se deteriora la relación de señal a ruido cuando una señal pasa por un circuito o una serie de circuitos. El factor de ruido no es más que una relación de señal a ruido en la entrada entre la correspondiente en la salida. Se expresa de la siguiente forma:
=
F relación de señal a ruido en la entrada (adimensional) (2.11)
relación de señal a ruido en la salida
El índice de ruido es sólo el factor de ruido expresado en dB, y es un parámetro de uso frecuente para indicar la calidad de un receptor. La ecuación del índice de ruido es:
=
NF 10 log relación de señal a ruido en la entrada (dB) (2.12)
relación de señal a ruido en la salida
o sea:
F
NF =10log (2.13)
En esencia, el índice de ruido indica cuánto se deteriora la relación señal a ruido al propagarse una onda desde la entrada hasta la salida de un circuito. Para un circuito perfecto y sin ruido, el factor de ruido es 1 y el índice de ruido es 0 dB. Un circuito electrónico amplifica las señales y el ruido por igual.
Por lo tanto si el amplificador es ideal y sin ruido, la señal y el ruido en la entrada se amplifican igual, y la relación de señal a ruido en la salida será igual a la de la entrada. Sin embargo, en realidad los amplificadores no son ideales.
Por consiguiente el amplificador agrega ruido generado internamente a la forma de onda, y reduce la relación general de señal a ruido. El ruido más predominante es el ruido térmico, que se genera en todos los componentes eléctricos.
Cuando se conectan en cascada dos o más amplificadores, como se ve en la Figura 2.11, el factor total de ruido es la acumulación de los factores individuales. Para calcular el factor de ruido total de varios amplificadores se usa la fórmula de Friiss, que es la siguiente: 3 2 1 2 1 3 1 2 1 1 1 1 A A A F A A F A F F F n T − + − + − + = (2.14) donde: = T
F Factor total de ruido para n amplificadores en cascada
=
1
F Factor de ruido, amplificador 1
=
2
F Factor de ruido, amplificador 2
=
3
F Factor de ruido, amplificador 3
= n
F Factor de ruido, amplificador n
=
1
A Ganancia de potencia, amplificador 1
=
2
A Ganancia de potencia, amplificador 2
=
3
A Ganancia de potencia, amplificador 3
Nótese que para usar la fórmula de Friiss, se deben convertir los índices de ruido a factores de ruido. El índice total de ruido es:
T dB
T F
Figura 2.11 Índice total de ruido.
Cuando son necesarios cálculos precisos (de 0.1 dB o menos) de ruido, es más cómodo expresar el índice de ruido en función de la temperatura de ruido, o la temperatura equivalente de ruido, y no en potencia absoluta.
Como la potencia de ruido (N) es proporcional a la temperatura, el ruido presente en la entrada del dispositivo se puede expresar en función de la temperatura ambiente del dispositivo (T) y de su temperatura equivalente de ruido Te. El factor de ruido se
puede convertir en un término que sólo depende de la temperatura, de la siguiente forma: B KT Nd = e (2.16) donde: = e
T Temperatura equivalente de ruido.
= d
N Potencia de ruido aportada por un solo amplificador, referida a su
entrada.
= o
N Potencia total de ruido en la salida de un amplificador.
= i
N Potencia total de ruido en la entrada del amplificador.
=
A Ganancia de potencia del amplificador (adimensional).
Figura 2.12 Índice de ruido en función de la temperatura [2].
2.10 Aplicaciones de las microondas
Las microondas tienen muchas aplicaciones, por mencionar algunas: radio, televisión, radares, meteorología, comunicaciones vía satélite, telefonía celular, enlaces terrestres dedicados, etc., pero las que nos interesa analizar en este capítulo son las siguientes:
• Enlaces terrestres dedicados
• Telefonía móvil celular
• Enlaces satelitales
2.11 Enlaces terrestres dedicados
Como cualquier otro sistema de comunicaciones, un enlace de microondas esta compuesto por transmisores, receptores y repetidores, los cuales emplean técnicas de multiplexado y modulación, no obstante la parte de RF del equipo es físicamente diferente, debido a los circuitos y componentes especiales que se emplean para hacer dicho circuitos.
Se conoce como enlace dedicado por que únicamente se concreta hacia una empresa o servicio en particular y en ese enlace no se pueden integrar otros servicios adicionales, salvo para el destinado. A continuación se detallan los componentes básicos de un enlace de microondas dedicado.
Transmisor
Este empieza con un generador de portadora y una serie de amplificadores, también incluye un modulador, seguido por etapas de amplificación de potencia. El amplificador final de potencia aplica la señal a la línea de transmisión y a la antena. En la Figura 2.13 se muestra el diagrama a bloques de la estructura de un transmisor.
Figura 2.13 Diagrama a bloques de la estructura de un transmisor.
Para la transmisión de un enlace dedicado de microondas, primero se genera una frecuencia en el rango de las microondas en la última etapa multiplicadora, se usan líneas de transmisión por microondas como circuitos sintonizados y de acoplamiento de impedancia. Luego se utilizan uno o más amplificadores de potencia para levantar la señal al nivel de potencia deseado empleándose transistores de potencia bipolares y MOSFET para potencia en microondas.
Línea de vista
Representa un camino abierto entre el transmisor y el receptor. Dentro de este se pueden encontrar repetidores, la función de los repetidores es salvar la falta de visibilidad impuesta por la curvatura de la tierra así como por los obstáculos físicos incluyendo cerros y edificios, para conseguir así enlaces superiores al horizonte óptico, evitando la interrupción de la señal a transmitir. Esta señal de transmisión puede ser una llamada telefónica, que por lo común se digitaliza y transmite mediante técnicas de multiplexaje por división de tiempo, para el sistema E1, en donde el flujo de bits se transmite a 2.048 Mbps.
Receptor
Es el encargado de capturar la señal transmitida y convertirla de nuevo a la señal original. Las entradas de un receptor están hechas por componentes de microondas del tipo (superheterodino) y la mayor parte de estos receptores emplean doble conversión. En la primera conversión lleva la señal dentro del intervalo de UHF, VHF y SHF donde se procesa con facilidad mediante métodos estándar. Una segunda conversión reduce la frecuencia a la frecuencia intermedia (FI) apropiada para la selectividad deseada. Después la señal se aplica a un amplificador especial de RF conocido como amplificador de bajo ruido (LNA, low-noise amplifier). Se deben usar transistores especiales de bajo ruido, por lo general amplificadores FET de arseniuro de galio, para proporcionar una amplificación inicial. Otro circuito sintonizado conecta la señal de entrada amplificada al mezclador (diodos doblemente balanceados). La señal del oscilador local se aplica al mezclador, la salida del mezclador en general está en el intervalo de VHF ó UHF.
En la Figura 2.14 se muestra el diagrama a bloques de la estructura de un receptor.La distancia máxima de separación entre repetidoras y las estaciones base es entre los 25 y los 50 Km, las antenas empleadas para este tipo de enlaces son platos parabólicos montados en torres, siempre que sea posible, las torres se localizan en colinas, cumbres de montañas o en edificios altos para incrementar la distancia de transmisión. Por lo tanto un enlace de microondas dedicado se utiliza para la transmisión bidireccional de voz, datos y video entre dos o más puntos, estos enlaces se transmiten usualmente de 64 Kbps a 128 Kbps de velocidad. Los enlaces dedicados pueden ser punto-punto y punto-multipunto, utilizando generalmente las frecuencias de 7, 19, 23 y 39 GHz en México.
2.11.1 Estándares y tipos de enlaces dedicados
Existen diferentes tipos de enlaces dedicados, los cuales utilizan los siguientes estándares para la velocidad de transmisión de información. En la Tabla 2.3 se describen los estándares y tipos de enlaces dedicados.
Tabla 2.2 Estándares y tipos de enlaces dedicados [22] Enlace Velocidad
(Mbps) Función
E0 0.064 Enlace dedicado con capacidad de transmitir información
digital a una velocidad 64 Kbps, a través de fibra óptica o radio digital formado por un espacio de tiempo dentro de una trama de 32 canales, de acuerdo a los estándares G.703/G.704 de la UIT.
Nx Hasta 1.024 Enlace de velocidades intermedias entre 64 Kbps E0 y E1
donde N es el número de canales E0 utilizados. Un cliente podrá utilizar una velocidad de 64 Kbps por N ya que los canales se ofrecen continuos. Los valores de N para efecto de líneas privadas son: 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 y 16.
T1 1.5 Enlace dedicado punto a punto con 24 canales de 63 Kbps.
E1 2.048 Enlace de 2 Mbps formado por 32 espacios de tiempo (time
slots), de los cuales uno es utilizado para sincronía y otro
para señalización. Un E1 contendrá 30 time slots para una
velocidad real utilizable de 1,920 Kbps.
E3 34 Designación europea y japonesa para T3, enlace punto a
punto en servicio de circuito de comunicaciones. Es una clasificación digital la cual puede portar 480 canales de 64 Kbps. Según se define en la norma G.702 de la UIT
DS3 45 Es un circuito con capacidad de transmisión de 44,736
Mbps, según se define en la norma ANSI T1.102.
STM-1 155 Modulo de transporte síncrono nivel 1 (Synchronous Optical
Network). Es un sistema de transmisión por fibra óptica para tráfico digital de alta velocidad que determina la velocidad de los enlaces con capacidad de transmisión de 155.52 Mbps según se define en la norma G.707 de la UIT.
La transmisión de un enlace dedicado se efectúa de diferentes formas, el enlace punto a punto es empleado para un enlace dedicado de microondas específicamente entre el punto A y el punto B, es un enlace dedicado comúnmente entre centrales, el cual se conoce como punto a punto, es decir, se transmite de una central a otra y enlaza exclusivamente a dos localidades.
La transmisión de señales puede hacerse en una sola dirección (unidireccional) ó bidireccional (envíos y regresos), en donde la información se puede enviar o recibir en forma simultánea, el cual se denomina full duplex.
En el análisis y diseño de enlaces dedicados de microondas, es necesario hacer un estudio sobre las condiciones de la trayectoria del enlace, que involucran la distancia entre las antenas, condiciones climatológicas, rugorosidad de la superficie, perfil topográfico, etc., todo esto sin tomar en cuenta la influencia de la ionosfera y la troposfera, con respecto al enlace a realizar.
Para poder determinar la altura de la torre, conocer las ubicaciones de colocación de las antenas, así como conocer la latitud y longitud con respecto a la ubicación del punto a enlazar, se requiere hacer un análisis topográfico sobre la zona a comunicar, denominado análisis de línea de vista. También es necesario considerar las pérdidas que presenta la señal al propagarse por la línea de transmisión del equipo transmisor y receptor hacia las antenas (pérdidas por alimentación y por ramificación), así como las pérdidas por propagación en el espacio libre y por diversidad, entre otras.
2.11.2 Factores que afectan un enlace dedicado
Los principales factores que afectan un enlace dedicado se describen a continuación.
Interferencia por señales de ruido
Consiste en el margen que hay entre el nivel de referencia (información significativa) y el ruido de fondo de un determinado sistema. Este margen es medido en decibeles (dB). No se puede eliminar por completo ya que todas las señales llevan una señal de ruido. Al incrementar la potencia de la señal se reduce el efecto de ruido de canal, y la información se recibe con menor incertidumbre.
Interferencia co-canal y canal adyacente
Se presentan cuando se tienen varias fuentes transmisoras y ocurren interferencias entre estas transmisiones. Por lo tanto, una interferencia co-canal es la interferencia que se presenta en la misma banda de frecuencias que la señal útil. La interferencia por canal adyacente se presenta cuando interfiere una señal de banda distinta en la señal útil. Las interferencias que más afectan son las de co-canal, ya que las de canal adyacente se pueden eliminar o reducir con la selectividad del transmisor y del receptor.
Atenuación de microondas
Se presenta desde que la señal es generada hasta llagar a la antena, por su transmisión y durante su propagación en el espacio libre, es decir, la señal de microondas transmitida es distorsionada y atenuada mientras viaja desde el transmisor hasta el receptor. Estas atenuaciones o distorsiones son causadas por una pérdida de potencia que depende de la distancia, reflexión y refracción debido a obstáculos y superficies reflectoras, así como también a pérdidas atmosféricas, las cuales se dan a frecuencias mayores de 10 GHz.
Interferencia de desvanecimiento multitrayectoria
Es un fenómeno que ocurre cuando la señal ya sea de un móvil, una radio base o una central se refleja en un objeto antes de alcanzar al receptor, es decir, los errores debido a la multitrayectoria aparecen cuando la señal rebota antes de llegar al receptor por más de una trayectoria o camino. Dentro de este tipo de interferencia existen los siguientes factores:
• Refracción: En microondas se refiere al cambio de dirección de un rayo al pasar de un medio a otro con distinta velocidad de propagación, es decir, existe refracción cuando una microonda pasa de un medio a otro con distinta densidad.
• Reflexión: Se refiere al choque de las microondas en la frontera entre dos medios, y parte o toda la potencia de la microonda no se propaga en el medio, es reflejada en dirección opuesta al segundo medio.
• Difracción: Se refiere a la redistribución de la energía dentro de un frente de onda al pasar cerca de la orilla de un objeto opaco, esta permite que las señales se propaguen en torno a las esquinas, por lo tanto, se debe tomar en cuenta que un enlace de microondas no tenga en su línea de vista objetos metálicos o de vidrio ya que afectan la trayectoria planeada del enlace.
2.12 Comunicaciones Móviles
Desde el inicio de las telecomunicaciones han sido dos las principales opciones para llevar a cabo una comunicación: con hilos (fija) o sin hilos (móvil). En las comunicaciones móviles, el emisor o receptor están en movimiento, la movilidad de