Sistemas de radio digital por satélite

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(1)Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones. TRABAJO DE DIPLOMA “SISTEMAS DE RADIO DIGITAL POR SATÉLITE” Autor: Yanet Espinosa Aranda Tutor: M.Sc. Hiram Del Castillo Sabido. Santa Clara 2006-2007 "Año 49 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones. TRABAJO DE DIPLOMA “SISTAMAS DE RADIO DIGITAL POR SATÉLITE” Autor: Yanet Espinosa Aranda Tutor: M.Sc. Hiram del Castillo Sabido Prof. Dpto. de Telecomunicaciones y electrónica Facultad de Ing. Eléctrica. UCLV. e-mail: [email protected] Santa Clara Curso 2006-2007 "Año 49 de la Revolución".

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Automática, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. ________________ Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. ____________________ Firma del Autor. ______________________________ Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. _________________________ Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. PENSAMIENTO. “Cultura se escribe con C de Ciencia. Crear es la. palabra de paz de esta generación” Anónimo.

(5) ii. DEDICATORIA Le dedico este rabajo a mi madre que me ha brindado todo su amor y apoyo para alcanzar mis sueños. A mi abuela, que aunque no este con nosotros, se que se sentiría orgullosa de mi. A mis hermanos , demás familiares que también me apoyaron..

(6) iii. AGRADECIMIENTOS Es mucho el trabajo realizado, muchos los momentos felices y tristes, los de avances y de frustración. En este largo camino he contado con el apoyo incondicional de familiares y amigos, es por ello que deseo agradecerle: A mi madre, por darme la vida y ser mi guia y mayor apoyo. A mis hermanos y demás familiares que han depositado toda su confianza en mi. A mi novio por ser parte de mi vida.y por todos todos los momentos lindos que vivimos juntos. A mis amigas Deimis, Nayibis, Ailicec y Yanela. Al resto de mis amigos ,aunque sus nombres no aparecen, los llevo siempre conmigo. A mi tutor por dedicarme tiempo y ayudarme a lograr esta meta. A todos los profesores que durante mi vida de estudiante han contribuido a mi formación. A todos, de corazón, muchas gracias..

(7) iv TAREA TÉCNICA •. Revisión bibliografica sobre la temática. De este punto se debe derivar el ordenamiento que debe presentar el trabajo por capítulos.. •. Principios de estos sistemas así como sus estructuras.. •. Ventajas sobre los sistemas tradicionales.. •. Características de lo radiopropagación de estos sitemas en los diferantes entornos. •. Ejemplos con valores numéricos que reflejen los conceptos más importantes que lo caracterizan.. ________________. _______________. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) v. RESUMEN El desarrollo de los Sistemas DAB (Digital Audio Broadcasting) usando soporte satelital,ha cobrado actualmente gran auge debido a las ventajas que presenta sobre las formas tradicionales de transmisión de las señales de radio AM y FM. En este trabajo se ha hecho un análisis de sus principales características así como las ventajas sobre los sistemas actuales de la radio analógica. Se resumen los efectos de propagación (anomalías debido al ensombrecimiento, el multitrayecto y el efecto Doppler) en los distintos ambientes genéricos: rural, rural-suburbano y urbano y en cada caso, se sugieren las técnicas a seguir. Además de realizarse un análisis de sistemas típicos y de las ecuaciones de los enlaces..

(9) vi. Índice Índice .....................................................................................................................................vi INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................1 CAPÍTULO 1. 1.1. Introducción a los sistemas de audio digital por satélite ............................4. Introducción ............................................................................................................4. 1.1.1. Breve historia del DAB...................................................................................4. 1.2. Necesidad para un nuevo sistema de radiodifusión de audio .................................4. 1.3. Ventajas del DAB ...................................................................................................5. 1.4. El DAB como uno de los resultados de la WARC’92............................................7. 1.5. Características diferenciales de la radiodifusión digital por satélite.......................9. 1.5.1. Modelo de negocio..........................................................................................9. 1.5.2. Cobertura ......................................................................................................10. 1.6. Consideraciones del sistema .................................................................................11. 1.6.1. Estructura del satélite de comunicaciones ....................................................15. 1.6.2. Sistemas híbridos ..........................................................................................20. 1.6.3. Segmentos de los radiodifusores...................................................................22. 1.6.4. Estaciones terrenas receptoras. .....................................................................22. 1.7. Sistemas típicos.....................................................................................................23. CAPÍTULO 2.. Características de Propagación del radioenlace digital.............................28. 2.1. Introdución............................................................................................................28. 2.2. Compresión de sonido ..........................................................................................28. 2.3. Modulación COFDM ............................................................................................33. 2.3.1. Características de canal.................................................................................33. 2.3.2 Principios de la modulación COFDM ................................................................33.

(10) vii 2.4. Características de radiopropagación en interiores (indoor) ..................................34. 2.5 Características de radiopropagación en medios rurales y sub-urbanos .....................35 2.6. Características de propagación en medios urbanos ..............................................46. 2.7 Técnicas para la protección contra errores del canal en medios rurales y suburbanos ..........................................................................................................................................48 2.8 Técnicas de diversidad................................................................................................50 CAPÍTULO 3. 3.1. Análisis y diseño de un sistema DAB satelital .........................................51. Análisis y diseño de sistemas DAB ......................................................................51. 3.1.1. Enlace satelital ..............................................................................................52. 3.2. Ecuaciones de un enlace utilizando satélite geoestacionario................................52. 3.3. Ecuaciones de enlace utilizando transponder no regenerativo .............................53. 3.3.1. Ecuaciones del enlace ascendente.................................................................54. 3.3.2. Ecuaciones del enlace descendente...............................................................56. 3.4. Ecuaciones de enlace utilizando transponder regenerativo ..................................58. 3.4.1. Ecuación de enlace ascendente .....................................................................60. 3.4.2. Ecuaciones para el enlace descendente.........................................................61. 3.5. Estudio de casos....................................................................................................61. 3.5.1. CD Radio ......................................................................................................61. 3.5.2. WorldSpace...................................................................................................67. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ...................................................................72 Conclusiones.....................................................................................................................72 Recomendaciones .............................................................................................................73 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................74 Anexos ..................................................................................................................................77.

(11) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. Como viene siendo habitual en todas las áreas en las que está presente la electrónica se tienden a reemplazar los sistemas analógicos existentes por otros digitales. En todas las transiciones el tiempo y esfuerzo invertido es muy elevado, pese a esto en el caso que nos ocupa, la radio, el cambio merece la pena pues la mejora que se consigue es muy apreciable. Actualmente están presentes en todos los países sistemas de radio analógicos, tales como FM o AM, estos sistemas adolecen de una serie de problemas. Estos problemas aconsejan la desaparición del sistema de radio actual y la implementación de un nuevo sistema que aproveche los recursos de una manera más eficiente. El sistema digital puede solucionar estos problemas. Esto nos compromete a actualizar a los ingenieros que se ocupan de este medio, en las tecnologías modernas que se mueven a nivel mundial. La introducción del tema de transmisión de programas de sonido a receptores portátiles, fijos y vehiculares ha ganado mucha importancia últimamente con la asignación de tres bandas de frecuencias a 1.5, 2.3 y 2.5 GHz específicamente para el servicio de audio digital por satélite DAB-S en la WARC’92. La transmisión de radio digital DRB es un nuevo servicio que ofrece programas estereo de calidad CD a receptores móviles, fijos y portátiles. La DRB terrestre se considera como una tecnología de sustitución para los servicios ya existentes de AM y FM. La entrega del DRB terrestre se adapta a áreas de servicio pequeñas o de mediano tamaño como ciudades y suburbios, para áreas más extensas como provincias o zonas poco pobladas el uso del satélite es el más apropiado. El enfoque mixto se basa en servicios terrestres y de satélite que usan una banda de frecuencia común, la eficiencia del espectro se logra con una coordinación estrecha de ambos tipos de servicio para lograr que se comparta la frecuencia debidamente y reuso eficiente del espectro. También el uso de un formato común para ambos tipos de servicios permite a su vez utilizar un receptor común. El sistema mezclado requiere que el receptor opere en el servicio en tierra y satélite transparente al usuario..

(12) INTRODUCCIÓN. 2. El servicio DRB debe ofrecer una alta confiabilidad para todas las condiciones de recepción incluyendo ambientes urbanos, suburbanos y rurales, sin embargo el canal de satélite móvil en tierra de banda L sufre de las anomalías de propagación debido al ensombrecimiento, el multitrayecto y el efecto Doppler. Esto produce al final desvanecimiento de la señal y entonces el diseño del satélite debe incluir un margen de enlace en la caída para resolver esto, ya que el desvanecimiento es fundamentalmente una función del ambiente de recepción y del ángulo de elevación. Para diseñar debidamente un sistema de radio DBS es imperativo comprender los efectos de propagación asociados a su fuente, su naturaleza y su enlace. Se resumen estos efectos de propagación en tres ambiente: genéricos: rural, rural-suburbano móvil y urbano móvil y en cada caso, sugerimos en el trabajo las técnicas a seguir. Un sistema típico DBS es el programa de radiodifusión sonora digital WorldSpace que va a proporcionar el primer sistema DAB de cobertura mundial capaz de suministrar decenas de canales de audio de alta calidad, así como los servicios auxiliares a los receptores de radio. Esto ha sido posible debido a la aparición de nuevas tecnologías espaciales. Se trata del progreso más importante que la radiodifusión haya tenido en casi 80 años de su introducción desde la aparición en 1920 de la onda corta. El sistema WorldSpace utiliza como novedad tecnológica el procesamiento a bordo del satélite, lo que facilita el acceso de los radiodifusores y permite operar en saturación la sección transmisora del satélite. Para satisfacer los objetivos planteados en la tarea hemos decidido dividir el trabajo en los siguientes capítulos con la descripción aproximada del contenido de cada uno de ellos: Capitulo 1 Introducción a los sistemas de audio digital por satélite. En este punto se debe referir al estado del arte en este tipo de servicio de radiodifusión digital, así como las ventajas de la aplicación del sistema DAB. Características de este tipo de radiodifusión. Principales consideraciones del sistema. Sistemas típicos, ejemplo el WorldSpace. Sistemas híbridos. Capitulo 2. Características de Propagación del radioenlace digital.

(13) INTRODUCCIÓN. 3. Después de una breve introducción se debe caracterizar el comportamiento de la radiopropagación en interiores (indoor), exteriores (outdoor), este último en medios urbanos, rurales y suburbanos. Técnicas de protección contra errores utilizadas. Capitulo 3 Análisis y diseño de un sistema DAB satelital Tratar con las ecuaciones de enlace para este tipo de sistema y tratar de referir un ejemplo de diseño, su zona de servicio, etc.

(14) Capítilo1. Intrdución a los sistamas de audio digital por satélite. CAPÍTULO 1.. 1.1. 4. Introducción a los sistemas de audio digital por satélite. Introducción. La radiodifusión de audio digital, también conocida por DAB (Digital Audio Broadcasting), es una tecnología en desarrollo para la difusión de audio en formato digital. Se trata de un sistema bastante robusto diseñado para receptores tanto de uso doméstico como portátil y, especialmente, para la recepción de móviles, para la difusión por satélite y para la difusión terrestre. También permite introducir datos. 1.1.1. Breve historia del DAB.. Lo que actualmente se conoce como estándar europeo DAB es el sistema de radiodifusión digital desarrollado por el proyecto Eureka 147 de la Unión Europea impulsado por la UER (Unión Europea de Radiodifusión). El objetivo era especificar un sistema de radiodifusión digital válido para comunicaciones terrestres y por satélite. Entre 1988 y 1992 se desarrolló el sistema y se realizaron las primeras pruebas. Posteriormente y hasta finales de 1994 se completaron las especificaciones técnicas, potenciando los servicios de datos complementarios al audio, y se impulsó el desarrollo de receptores. En 1995, el ETSI (European Telecommunication Standard Institute) adoptó el sistema DAB como estándar único europeo (ETS 300 401). A nivel mundial, la Recomendación 1114 de la ITU (International Telecommunications Union) recomienda el DAB como sistema para la difusión terrestre y por satélite. 1.2. Necesidad para un nuevo sistema de radiodifusión de audio. El desarrollo, comprobación e instalación de cualquier nuevo sistema de radiodifusión de audio conlleva un costo y un esfuerzo considerable incluyendo los aspectos de mercadotecnia correspondientes a que el usuario adquiera un nuevo tipo de receptor. Estos.

(15) Capítilo1. Intrdución a los sistamas de audio digital por satélite. 5. motivos obligan a dar argumentos muy convincentes para adoptar un nuevo tipo de sistema. Entre los principales argumentos están los siguientes: a.. Ahorro de potencia transmitida para una amplia zona de cobertura lo que implica una economía considerable para los radiodifusores.. b.. Necesidad de brindar un audio con calidad CD. Aunque los sistemas DSR (Direct Satellite Radio) brindan esta calidad, estos no tienen la masividad de los servicios AM y FM por medios terrestres.. c.. Existe una creciente demanda para la recepción móvil (en general en vehículos automotores terrestres y marítimos). Los sistemas AM, FM y DSR no garantizan una recepción de calidad para terminales móviles. En realidad estos sistemas no están diseñados para prestar servicio a terminales móviles.. 1.3. Ventajas del DAB. Las características y ventajas que se destacan en el sistema DAB son: •. Mejoras en la recepción Mediante el sistema DAB se superan los efectos que la propagación multitrayecto. (debida a las reflexiones en edificios, montañas),que se produce en los receptores estacionarios, portátiles y móviles y se protege la información frente a interferencias y perturbaciones (figura 1.1). Estas mejoras se logran mediante la transmisión COFDM que utiliza un sistema de codificación para distribuir la información entre un elevado número de frecuencias.. Figura 1.1.

(16) Capítilo1. Intrdución a los sistamas de audio digital por satélite •. 6. Calidad de sonido. Es equivalente a la del disco compacto (CD). En el sistema DAB se aprovecha el efecto de enmascaramiento que se produce debido a las características psicoacústicas del oído humano, que no es capaz de percibir todos los sonidos presentes en un momento dado y, por lo tanto, no es necesario transmitir los sonidos que no son audibles. El sistema DAB utiliza un sistema de compresión de sonido llamado MUSICAM para eliminar la información no audible, consiguiendo así reducir la cantidad de información a transmitir. •. Servicios de Datos. Además de la señal de audio digitalizada, se pueden transmitir otras informaciones: El canal de información transporta la configuración del múltiplex, información de los servicios, fecha y hora, servicios de datos generales como: radiobúsqueda, sistema de aviso de emergencia, información de tráfico, sistema de posicionamiento global, etc. Los datos asociados al programa se dedican a la información directamente relacionada con los programas radiofónicos: títulos musicales, autor, texto de las canciones en varios idiomas, etc. Los servicios adicionales son servicios que van dirigidos a un grupo reducido de usuarios, como por ejemplo: cancelación de tarjetas de crédito robadas, envío de imágenes y textos a tableros de anuncios electrónicos, etc. Todos estos datos se reciben a través de una pantalla incorporada en el receptor. •. Coberturas. La cobertura puede ser local, regional, nacional y supranacional. El sistema es capaz de añadir constructivamente las señales procedentes de diferentes transmisores en el mismo canal, lo que permite establecer redes de frecuencia única para cubrir un área geográfica determinada en la que es posible utilizar pequeños transmisores para cubrir las zonas de sombra dejadas por aquellos. •. Eficiencia en la utilización del espectro y la potencia. Se utiliza un único bloque para una Red nacional, territorial o local terrenal, con transmisores de baja potencia..

(17) Capítilo1. Intrdución a los sistamas de audio digital por satélite •. 7. Intervalo de frecuencias de transmisión. El sistema DAB está diseñado para poder funcionar en el intervalo de frecuencias de 30 MHz. a 3.000 MHz. •. Distribución. Se puede realizar por satélite y/o por transmisiones terrenales o de cable utilizando diferentes modos que el receptor detectará automáticamente. •. Multiplexado De manera análoga a como se entra en un multicine donde se exhiben varias películas. y el usuario selecciona una de ellas, es posible "entrar" en un múltiplex DAB y seleccionar entre varios programas de audio o servicios de datos. El sistema DAB permite multiplexar varios programas y servicios de datos para formar un bloque y ser emitidos juntos, obteniéndose la misma área de servicio para todos ellos. •. Capacidad. Cada bloque (múltiplex) tiene una capacidad útil de aproximadamente 1,5 Mbit/s, lo que por ejemplo permite transportar 6 programas estéreo de 192 kbit/s cada uno, con su correspondiente protección, y varios servicios adicionales. •. Flexibilidad. Los servicios pueden estructurarse y configurarse dinámicamente. El sistema puede acomodar velocidades de transmisión entre 8 y 380 kbit/s incluyendo la protección adecuada. 1.4. El DAB como uno de los resultados de la WARC’92. La conferencia WARC’92 en Torremolinos (España) decidió cambiar sus asignaciones de frecuencia para adaptarse a los nuevos cambios tecnológicos y los nuevos servicios de comunicación terrestre y satelitales. Las mejoras en las tecnologías de telecomunicaciones y electrónica mostraron la emergencia de tres tipos de nuevos servicios:.

(18) Capítilo1. Intrdución a los sistamas de audio digital por satélite a.. 8. W-HDTV: Televisión de alta definición de banda ancha utilizando la banda Ka(30/20 GHz). b.. PCS: Sistemas de Comunicaciones Personales, mediante el cual cualquier persona en el mundo y en cualquier momento puede establecer comunicación, utilizando soportes terrestres y satelitales (Iridium, Globalstar, etc.). c.. DAB: Radiodifusión de audio Digital. A partir de las limitaciones de los servicios convencionales de radiodifusión de audio mencionados anteriormente, se admitió el servicio DAB. La WARC’92 asignó la banda L (1452 – 1492 MHz), comúnmente conocida como banda de 1,5 GHz. Estados Unidos se adjudico la banda S (2,3 GHz) por la posible interferencia con sus servicios móviles aeronáuticos.. De los tres nuevos servicios aprobados en la WARC’92 los sistemas DAB resultan ser los más importantes por los retos tecnológicos que imponen. Las técnicas de modulación y codificación que ya han sido desarrolladas y demostradas en la práctica permiten que señales de audio con calidad CD sean radiodifundidas desde satélites o transmisores terrestres a receptores portátiles o móviles sin el desvanecimiento típico que resulta en las recepciones de señales de FM en automóviles en el límite de la zona de cobertura del transmisor terrestre analógico. Con el uso de transmisores satelitales, tales señales pueden dar cobertura a la población de un país completo en lugar de las limitaciones de los actuales sistemas de transmisión satelital con uso de transmisor terrestre. Adicionalmente, las mismas técnicas digitales permiten que las señales analógicas de baja calidad (equivalentes a las señales de AM y FM) sean radiodifundidas en canales con un ancho de banda más estrecho a continentes enteros con una fiabilidad casi perfecta. Esto conlleva que un servicio DAB pueda suministrar servicios de radiodifusión internacional, semejantes a los de la banda HF, pero con una mayor fiabilidad. A partir de estas evidentes potencialidades, muchos se han cuestionado el mantener el espectro asignado a la radiodifusión analógica de audio internacional en la banda de HF. Los retos tecnológicos a que están expuestos los sistemas DAB usando soporte satelital obedecen a dos situaciones específicas:.

(19) Capítilo1. Intrdución a los sistamas de audio digital por satélite. 9. a. producto de la omnidireccionalidad que deben presentar las antenas de los receptores móviles o portátiles, el factor de mérito del sistema de recepción presenta valores muy bajos. Valores típicos de G/T están entre –12dB/K y – 15dB/K. b. El canal satelital de radiodifusión está expuesto a un desvanecimiento muy dinámico y profundo producto de la presencia del multitrayecto, ensombrecido y bloqueo de la señal transmitida. Los aspectos anteriores obligan al uso de satélites de muy potentes técnicas de transmisión digital que permita proteger la información contra errores producidos en el canal de transmisión garantizando la calidad deseada y el bajo costo del receptor.[1] 1.5. Características diferenciales de la radiodifusión digital por satélite. En este apartado se comentan algunas características de la radiodifusión digital por satélite que la distinguen en algún aspecto de la radiodifusión sonora terrestre, tanto analógica (la radio FM tradicional) como digital (la radio DAB). Las similitudes con la radiodifusión sonora analógica tradicional son evidentes e inevitables, ya que se trata del mismo servicio ofrecido a través de un medio técnico distinto. Hay, sin embargo, diferencias (técnicas o no) que afectan profundamente al modelo de negocio y a los servicios que pueden ofertarse con este medio. 1.5.1. Modelo de negocio. El modelo de negocio vigente en la actualidad en el sector radiofónico es el basado en ingresos por publicidad, con emisoras individuales que compiten unas con otras por la audiencia. El modelo predominante en los servicios de radio por satélite, por el contrario, es el basado en suscripción. La competencia, si la hay (EE.UU es la única área geográfica en la que hay varios servicios en operación), se hace en base a una oferta completa de programas. La publicidad, si existe, es mucho más reducida que en la radio FM, y de hecho esta práctica ausencia de publicidad es uno de los elementos que pueden atraer suscriptores hacia la radio por satélite. En una encuesta realizada en enero de 2006 en EEUU por Roper Omnitel para American Media Services, el elevado número de anuncios era el factor que.

(20) Capítilo1. Intrdución a los sistamas de audio digital por satélite. 10. más disgustaba a los oyentes de la radio tradicional, citada por casi el sesenta por ciento de los encuestados. La propia estructura del sector es radicalmente distinta en ambos sistemas. En la radio tradicional hay unas pocas emisoras con cobertura nacional, que compiten con las que ocupan su mismo nicho temático (emisoras generalizas, radio fórmulas, etc.), y hay un número relativamente elevado de emisoras con cobertura regional o local. En los servicios de radio por satélite la cobertura es global por definición, con una oferta sumamente extensa de programas muy especializados. Además de los propios programas, la radio digital por satélite permite ofrecer una serie de servicios adicionales (guía electrónica de programación, navegación, información sobre tráfico, información meteorológica, acceso a redes de datos públicas o privadas, etc.) sobre los que se hablará más adelante. En muchos casos los programas incluyen no sólo radio sino también televisión para dispositivos móviles. 1.5.2. Cobertura. En la radio FM tradicional cada emisora utiliza una frecuencia distinta, y para conseguir una cobertura amplia es necesario combinar varias emisoras (típicamente denominadas “postes”), planificando las frecuencias empleadas por cada una de modo que se eviten las interferencias entre emisoras distantes. Resulta muy costoso conseguir coberturas amplias, tanto por el número de postes necesarios como por la complejidad técnica y administrativa del despliegue. La cobertura fuera de las zonas urbanas y las carreteras más importantes suele ser mala por este motivo. Los sistemas basados en satélite, por el contrario, proporcionan cobertura a toda el área de servicio, siempre que haya visión directa del satélite. Esto plantea problemas fundamentalmente en áreas urbanas, especialmente en el caso de satélites geoestacionarios, pues en zonas urbanas la probabilidad de que el satélite esté bloqueado por algún obstáculo es grande. Esto obliga a emplear una red de repetidores terrestres para proporcionar servicio en las áreas de sombra. En los sistemas basados en satélites de órbita elíptica este problema también existe aunque en menor medida. En cualquier caso, el despliegue de la red de repetidores es técnicamente más sencillo que el de una red de radio FM, ya que las tecnologías empleadas permiten utilizar la misma.

(21) Capítilo1. Intrdución a los sistamas de audio digital por satélite. 11. frecuencia tanto para el tramo de satélite como para la red terrestre, o al menos para toda la red terrestre. La recepción en interiores es otro de los problemas que tienen los sistemas de radio por satélite. Habitualmente es necesario instalar una antena en el exterior del edificio para captar la señal del satélite. Aunque esto es algo asumido para algunos servicios, como la televisión, puede ser percibido como un inconveniente por el usuario potencial de radio por satélite. En los sistemas basados en satélites de órbita elíptica puede darse el caso de que la calidad de la señal recibida varíe a lo largo del día, al moverse los satélites respeto al receptor. La cobertura del servicio afecta también al tipo de programación que puede ofrecerse. En radio FM existen muchas emisoras de cobertura reducida que ofrecen programación de carácter local: informativos, música, deportes, etc. En un sistema por satélite la cobertura es global (al menos para áreas del tamaño de un país europeo grande), lo que dificulta ofrecer información local. Por otro lado, esto permite Radiodifusión sonora digital por satélite: tecnologías y servicios “globalizar” la información local, de modo que puede resultar interesante distribuir información local relativa a áreas que sean fuente de población desplazada.[2] 1.6. Consideraciones del sistema. La arquitectura básica de un sistema DAB por satélite, sigue, en esencia los mismos principios, de cualquier sistema de radiocomunicación por satélite. En la Figura 1.2 se muestra esta estructura básica. El sistema está compuesto por un segmento espacial y un segmento terreno. El segmento espacial está constituido por el satélite de comunicaciones y las estaciones terrenas de TCR (telemetría, comando y posicionamiento) de satélite. Este segmento dispone de su propio sistema de comunicaciones para garantizar la misión de comunicaciones del satélite. Comúnmente se utilizan, al menos, dos estaciones TCR para determinar el posicionamiento y orientación adecuada del satélite hacia la zona de cobertura deseada. El segmento terreno está compuesto por los radiodifusores, que envían la señal al satélite en Banda x (8-12,4 GHz) a través del enlace ascendente (Up- Link) y los receptores que reciben la señal del satélite en Banda L (1,5 GHz) a través del enlace.

(22) Capítilo1. Intrdución a los sistamas de audio digital por satélite. 12. descendente (Down Link). Debe observarse que los radiodifusores utilizan antenas direccionales. de. alta. ganancia,. mientras. que. los. receptores. utilizan. antenas. omnidireccionales de baja ganancia que permiten la cobertura para los terminales móviles.. SEGEMENTO ESPACIAL. Enlace. X. L. Enlace descendente (Banda L). ascendente. TCR. RADIODIFUSOR. RECEPTORES. Estación Terrena Figura 1.2 Arquitectura básica de un sistema DAB por satélite TCR: Telemetry, Command and Ranging. El enlace que impone las mayores exigencias en cuanto al comportamiento del sistema es el enlace descendente ya que tiene que brindar el servicio a terminales móviles. Para el.

(23) Capítilo1. Intrdución a los sistamas de audio digital por satélite. 13. siguiente análisis se considera a la figura 1.3, donde se muestra únicamente el enlace descendente de radiodifusión.. ϕ d. Superficie terrestre S. Área de la zona de cobertura. Figura 1.3. Enlace satelital radio móvil en banda L (1,5 GHz) Recordando la expresión (C/N)= (PTGTGR)/ (kLaLbTB). (1.1). Sea ϕ el ángulo sólido del cono que ilumina la zona de cobertura ilustrada en la figura 1.3 De forma bastante aproximada puede escribirse que:. ϕ= S/d2. (1.2). La ganancia de la antena transmisora a bordo del satélite, GT, es inversamente proporcional al valor del ángulo sólido ϕ. Así, si k es una constante de proporcionalidad, entonces:. GT = k/ϕ = (k/S)*d2. Sustituyendo (1.2) y Lb en la primera ecuación se obtiene:. (1.3).

(24) Capítilo1. Intrdución a los sistamas de audio digital por satélite (C/N) = (PT (k/S)*d2GR)/ (kLa (4πd/λ) 2TB = (PT (k/S) GRλ2)/ (kLa (4π)2TB). 14 (1.4). Considerando que la antena receptora del terminal móvil es una fuente isotrópica (GR = constante), entonces, se puede hacer una agrupación de términos constantes en (1.4). así: (C/N) = (k GR /k S (4π)2) (PT λ2)/ (LaTB) = k0 (PT λ2)/ (LaTB). (1.5). Donde Ko es la nueva constante de proporcionalidad. De esta expresión se desprenden dos conclusiones: a) (C/N) incrementa su valor a medida que se disminuye el valor de la frecuencia de la portadora. b) (C/N) es independiente de la distancia d entre el satélite transmisor y la estación terrena receptora móvil. Con relación al primer aspecto la WARC’92 consideró inicialmente la selección de la frecuencia de la portadora en una banda de 500 MHz a 3 GHZ. Por razones técnicas y económicas, el ITU-R concluyo que la Banda L de 1,5 GHz era la selección más adecuada para el servicio DAB. En el extremo inferior del intervalo de frecuencias inicialmente mencionado, el tamaño y costo de la antena transmisora a bordo del satélite para una cobertura deseada se hacia prohibitivamente grande, a causa de que el tamaño de la antena es inversamente proporcional a la frecuencia, para un mismo valor de ganancia. Por otra parte, a 3 GHz, se requiere alrededor de cuatro veces más potencia por parte del satélite que a 1,5 GHz ya que GR es aproximadamente constante mientras que la pérdida de espacio libre Lb se incrementa con el cuadrado de la frecuencia. El segundo aspecto permite analizar la posibilidad de utilizar diferentes tipos de órbita y satélites asociados. El uso de satélites geoestacionarios permite que con un solo satélite se pueda cubrir una zona de cobertura relativamente extensa. Además, el satélite geoestacionario proporciona mayor ganancia que un satélite de órbita baja en su antena transmisora para la misma zona de cobertura (S constante). Esto permite que con la misma PT se logre una mayor PIRE para el caso geoestacionario que con un satélite de baja órbita. Las ventajas de los satélites LEO, MEO y ICO (Cobertura global, baja pérdida de espacio.

(25) Capítilo1. Intrdución a los sistamas de audio digital por satélite. 15. libre, y pequeño retardo de propagación) no son generalmente aplicables al servicio de radiodifusión. Además los altos ángulos de elevación logrados en el uso de satélites geoestacionarios permiten compensar los problemas que acusan desvanecimientos como multitrayecto (reflexiones múltiples) ensombrecimiento (shadowing) y bloqueo. Para ángulos de elevación mas bajos (típicos para satélites LEO, por ejemplo) los problemas de radiopropagación anteriormente mencionados se harían más agudos. Existe un caso excepcional, en bajas latitudes (tanto norte como sur), donde los satélites geoestacionarios proporcionan ángulos de elevación bajos y los problemas de interrupción del servicio por bloqueos, ensombrecimiento y multiproyecto no podrían ser resueltos con tales satélites. Un caso típico son las zonas más septentrionales de Europa donde se ha propuesto un proyecto DAB con base en satélites de orbita altamente elíptica (HEO), que garantiza altos ángulos de elevación. 1.6.1 Estructura del satélite de comunicaciones Hardware de un satélite. 1). ¿Cuáles son los principales componentes de un satélite?. Todos los satélites de comunicaciones cuentan con dos subsistemas principales: la carga útil de comunicaciones y el "bus". La carga útil de comunicaciones es el sistema que retransmite las señales del cliente desde una estación transmisora a bordo hacia la tierra a estaciones receptoras simples (punto a punto) o múltiples, las cuales corresponden al enlace descendente (punto a multipunto). 2) ¿Qué es una carga útil? La carga útil está compuesta por antenas de alta ganancia, receptores, multiplexores (MUX) y amplificadores de potencia (transmisores SSPA- Solid State Power Amplifier-, TWTA, HPA, etc.). Llamamos "transponder" a la trayectoria de la señal al interior del vehículo espacial. Una antena recibe las señales del cliente a una frecuencia y polarización específicas. A continuación, la señal pasa a través de un MUX de entrada (canalizador), se amplifica y luego pasa a través de un demultiplexor de salida (otro tipo de MUX, también conocido como combinador). Para utilizar en forma eficiente el espectro de transmisión disponible, la señal se convierte a frecuencia y polarización diferentes. Luego, la señal se retransmite de vuelta a un enlace descendente en la Tierra..

(26) Capítilo1. Intrdución a los sistamas de audio digital por satélite. 16. 3) ¿Qué nivel de resistencia posee el sistema que transporta la señal? Todo satélite geoestacionario está constituido por un subsistema de comunicaciones (payload) y la plataforma. Esta última contiene todos los subsistemas de apoyo que garantizan la misión de comunicaciones del satélite. El subsistema de comunicaciones está compuesto a su vez, por las antenas del satélite, que pueden ser de haz global, hemisférico, zonal y puntual (en dependencia del área de la zona de cobertura), y los equipos electrónicos que procesan las diferentes portadoras moduladas. Tradicionalmente los satélites geoestacionarios han utilizado transponders no regenerativos, cuyo modelo se ilustra en la figura 1.4 para el procesamiento de un radiocanal. Como se observa de esta figura, se destacan tres procesos: -. Recepción con amplificación de bajo nivel de ruido. -. Conversión de frecuencia. -. Etapa final de potencia PT. .fu. GT. HPA. DPX. fD. .f fu. .f fd. Figura1.4 Diagrama de bloques de un transponder no regenerativo para pprocesar un radiocanal. Se supone que el radiocanal está cargado con una sola portadora modulada que ocupa el ancho de banda del mismo. DPX: Duplexor. HPA: High Power Amplifier. ..

(27) Capítilo1. Intrdución a los sistamas de audio digital por satélite. 17. Nivel de potencia de salida (dB). Saturación 0. Zona lineal -2,5. -15. -10. -5. 0. Nivel de potencia de entrad. Figura 1.5. Característica transferencial de potencia de un TWTA (etapa final del bloque HPA). Para garantizar la máxima potencia del bloque HPA, es necesario trabajar la etapa final de saturación, tal como se ilustra en la figura 1.5 sin embargo para trabajar este amplificador en saturación es necesario que esté presente solo una portadora en el ancho de banda del radiocanal para evitar la aparición de ruido (o productos) de intermodulación. En caso contrario; es decir la presencia de múltiples portadoras moduladas en el ancho de banda del Radiocanal; sería necesario trabajar el amplificador en la zona lineal, obligando con esto a reducir la potencia de la salida del mismo, lo que resulta desventajoso para aplicaciones de radiodifusión y especialmente para sistemas DAB donde la antena receptora de la estación terminal móvil es de baja ganancia y no puede ser incrementada a partir de aumentar el diámetro de la parábola en los terminales fijos de recepción. En el caso DAB sería necesario incrementar la potencia del HPA en la misma medida que se necesita decrementar desde saturación hasta la zona lineal, en un TWTA (Traveling Wave Tubes Amplifiers) de menor potencia de saturación. Par lograr el trabajo en saturación del TWTA es necesario, por tanto, la presencia de una sola portadora modulada en el ancho de banda del radiocanal asignado al servicio DAB..

(28) Capítilo1. Intrdución a los sistamas de audio digital por satélite. 18. Esto impone que los radiodifusores converjan todos en una estación terrena transmisora, formar una señal TDM de banda base con todos los programas de audio digital y modular la portadora del radiocanal asignado. En la figura 1.6 se ilustra este principio.. Audio digital 1. . .. MUX. MOD Tx. Audio digital N. Figura 1.6. Formación de una señal TDM a partir de la composición multicanal de N señales de banda base de audio digital con el objetivo de modular y transmitir la portadora del radiocanal asignado para el servicio DAB.. Esta solución presenta el inconveniente de cómo hacer llegar todas las señales de audio digital a la estación transmisora. Salvo que los estudios de generación de las señales de audio estén concentrados en la propia estación terrena, para aquellos radiodifusores que estén alejados no resulta una solución conveniente. Además, si es necesario usar la infraestructura de la red terrestre para acceder a la estación terrena, no siempre se garantiza la calidad del audio que se recibe(a excepción de que se disponga de un enlace por fibra óptica, red ATM, BISDN, etc.). Aun garantizándose una infraestructura terrestre de calidad, se incrementarían los costos del segmento de radiodifusión. Algunos autores han planteado utilizar técnicas de accesos CDMA para resolver el problema anterior. Otra alternativa tecnológica es el uso de transponders regenerativos, como en el caso del sistema WorldSpace desarrollado por Alcatel Space. En la figura 1.7 se muestra la estructura de este tipo de transponder, también denominado transponder con proceso a bordo (OBP: On Board Processing)..

(29) Capítilo1. Intrdución a los sistamas de audio digital por satélite. 19. Audio digital 1. Receptor (X ó Ku/ FI). DEM DEMUX FDMA( Banco de filtros). . . DEM. MOD MUX. .f (L) .f(X ó Ku) BT. BT. Figura 1.7. Transponder regenerativo utilizando un satélite geoestacionario DAB. Se realiza la conversión FDMA a TDM. Cada raduiodifusor accede de forma independiente al satélite ocupando una porción de todo el ancho de banda del transponder. El conjunto de radiodifusores forma entonces una señal compuesta FDMA. A bordo del satélite se recibe esta señal, demodulando y obteniendo la señal de audio digital de banda base de cada radiodifusor. A partir de aquí se conforma una señal multicanal de banda base TDM que modulará, en todo el ancho de banda del transponder a la portadora del enlace descendente en banda L. Las ventajas del OBP son las siguientes:.

(30) Capítilo1. Intrdución a los sistamas de audio digital por satélite a). 20. Cada radiodifusor puede acceder al satélite desde el lugar otrigen de la programación de audio.. b). La sección transmisora del satélite puede operara en saturación lo que permite extraer el máximo de potencia. Las principales desventajas están asociadas a: a) Novedad de la tecnología y poca experiencia con relación a su comportamiento. b) Incremento de la complejidad del satélite y de los costos de operación. 1.6.2 Sistemas híbridos La factibilidad y costo de un sistema de audio digital por satélite depende mucho de los requerimientos de potencia del satélite. Para determinar esta potencia, es necesario tomar en cuanta: a) La pérdida de espacio libre b) Otros efectos (por ejemplo: absorción por gases) c). La atenuación por ensombrecimiento y bloqueo debido al follaje y edificios, respectivamente.. Por otro lado, la antena receptora debe tener características omnidireccionales. Esto hace que sea necesario un margen de potencia para resolver estos problemas de propagación. En la tabla 1.1 se muestran los requerimientos del margen de potencia para diferentes medios. Tabla 1.1 Requerimientos de margen para diferentes medios.. Tipo de medio. Margen, dB. Rural y sub urbano. > 5. Urbano. >15. Interiores. >20. A partir del entorno urbano, la velocidad más lenta de los vehículos y el bloqueo causado por los edificios impide una solución práctica utilizando solamente el soporte satelital como.

(31) Capítilo1. Intrdución a los sistamas de audio digital por satélite. 21. medio de transmisión. Lo anterior implica que el sistema DAB por satélite debe diseñarse solamente para cubrir áreas rurales o sub urbanas. La extensión del servicio a áreas urbanas densas debe hacerse usando redes terrestres denominadas “gap- fillers” figura 1.8. Estas redes complementarias deben utilizar la misma frecuencia que la red satelital. Con la técnica de transmisión COFDM (Code Ortogonal Frecuency Division Multiplex) todos los retransmisores terrestres pueden utilizar la misma frecuencia lográndose una red SFN (Single Frecuency Network) a diferencia de las redes convencionales terrestres de FM analógicas donde el reuso de la frecuencia por un transmisor debe hacerse a partir de cumplir con una razón de protección definida en términos de la relación portadora a interferencia ((C/I). Lo anterior significa que, par una determinada potencia de transmisión, los transmisores deben estar separados por una distancia mínima.[3] [4]. Figura 1.8 Recepción de un sistema DAB en un entorno urbano utilizando redes terrestres complementarias (gap – fillers).

(32) Capítilo1. Intrdución a los sistamas de audio digital por satélite 1.6.3. 22. Segmentos de los radiodifusores. Las estaciones que alimentan al satélite a través del enlace ascendente, en banda X o Ku, utilizan terminales convencionales para transmitir entre una o varias portadoras moduladas para conformar la señal multicanal. En el caso de utilizar tarnsponder no regenerativo la potencia de la estación terrena transmisora debe ser lo suficientemente grande para lograr la operación en saturación del TWTA a bordo del satélite. Esto se consigue normalmente con antenas de dimensiones relativamente grandes. En el caso de utilizar transponders con procesamiento a bordo, las antenas son de menor dimensión ya que no es esta potencia la que satura al TWTA. Por ejemplo, el sistema Worldspace, que utiliza OBP, los terminales transmisores al satélite emplean antenas entre 2 y 3 m. de diámetro y amplificadores de salida entre 10 y 100 W de potencia RF. 1.6.4. Estaciones terrenas receptoras.. El énfasis del servicio de un sistema DAB por satélite está orientado a los terminales móviles que incluyen automóviles, camiones, camperos, vehículos marítimos, etc. El uso de la tecnología digital no solo se aplica para mejorar la calidad de audio del receptor sino también servicios auxiliares multimedia como video (de baja resolución), fax, e-mail así, como los servicios convencionales de AM y FM analógicos. La estación terminal móvil resulta bastante convencional desde el punto de visa tecnológico. Su comportamiento está limitado por la antena receptora cuyo ancho de haz debe estar en la visual al satélite en la medida que el terminal cambia su orientación a este. Hasta el presente no resulta económico construir antenas que puedan modificar el lóbulo principal de manera electrónica (mediante conjuntos faseados) o mecánicamente. Como consecuencia de esto, las antenas utilizadas en los terminales móviles para el servicio DAB por satélite presentan un patrón de radiación típico de tipo toroidal, tal como se muestra en la figura 1.9 Esto permite una ganancia relativamente constante en el plano acimutal y cierta ganancia directiva en el plano cenital o plano de elevación, en dependencia de la posición orbital del satélite y la extensión del área geográfica del servicio. Por ejemplo, una aplicación típica utiliza una antena con una ganancia de 3 a 5 dBi para ángulos de elevación entre 20 y 60o. Este tipo de patrón de radiación puede lograrse mediante un conjunto planar de.

(33) Capítilo1. Intrdución a los sistamas de audio digital por satélite. 23. microantenas. El valor típico de G/T para este terminal móvil es de -19dB/K utilizando un LNA (Amplificadores de bajo ruido - Low noise Amplifier) con la tecnología HEMP MIC (High electrón Mobility Microwave Integrated Circuit). y (a) x 60o z 30o (b). y. Figura 1.9. Patrón típico de radiación de una estación terminal móvil de un sistema DAB. (a) patrón acimut (horizontal). (b) patrón cenital (vertical). 1.7. Sistemas típicos. En los últimos años han sido puestos en servicio varios sistemas de radiodifusión digital por satélite. Los primeros, con sede en Estados Unidos y conocidos como SDARS (Satellite Digital Audio Radio Services), son:.

(34) Capítilo1. Intrdución a los sistamas de audio digital por satélite •. 24. WorldSpace: inició sus servicios en 1999 y tiene su principal cobertura en zonas de Africa, Asia y América. •. XM Satellite Radio: comenzó sus retransmisiones en el 2001 y da cobertura a Estados Unidos. •. Sirius Satellite Radio :comenzó sus retransmisiones en el 2003 y también da cobertura a Estados Unidos. En Japón funciona desde 2004 el servicio MobaHO! y en Corea del Sur, desde 2005, el servicio S-DMB, los cuales difunden vídeo y datos además de audio. De estos servicios actualmente en operación, los sistemas japonés y coreano tienen notables diferencias con los americanos, no sólo técnicas en cuanto que difunden vídeo además de audio, sino también de uso en cuanto que las preferencias y costumbres culturales de los usuarios asiáticos y norteamericanos son bastante dispares.. WorldSpace: Es el primer sistema de radio (audio) digital por satélite que prevee servicios a terminales móviles y portátiles, con una zona de cobertura que comprende países en vías de desarrollo y transmisiones en banda L (1.5 GHz). El sistema comprende tres satélites GEO: •. AfriStar 21 grados E: este satélite suministra servicios a África y al Cercano Oriente. •. AsiaStar 105 grados E: le suministra servicios a la zona del sudeste asiático y países de la cuenca del pacifico.. •. AmeriStar 95 grados W: le suministra servicios a sur América, centro América, el Caribe y la parte sur del territorio continental de los Estados Unidos.. En la figura 1.10 se muestra la cobertura de WorldSpace antes mencionada.

(35) Capítilo1. Intrdución a los sistamas de audio digital por satélite. 25. Figura 1.10 Cobertura del WorldSpace. Una novedad tecnológica del sistema Worlspace es la utilización del satélite geoestacionario con procesamiento a bordo. Esto ofrece una gran flexibilidad a los radiodifusores y permite operar en saturación al transponder del satélite. Las fuentes de audio comprimidas presentan las siguientes características: . 16 Kbps para voz monofásica (calidad AM). . 32 Kbps para voz monofásica (Calidad FM). . 64 Kbps para voz estereofónica (calidad FM estereo). . 128 Kbps para voz estereofónica (calidad CD). El segmento de los radiodifusores combina estas fuentes de audio digital comprimido formando a la salida 288 canales primarios de 16 Kbps cada uno. Cada canal primario modula una portadora de 7050 MHz y 7075 MHz logrando así la señal multicanal FDMA (figura 1.11). La modulación utilizada es QPSK. Debe garantizarse que el ángulo de elevación de la estación terrena transmisora sea mayor de 10º..

(36) Capítilo1. Intrdución a los sistamas de audio digital por satélite. 1. Segmento. 26. de. los radio .. . difusores. .. .. f1... ..f228. 7050MHz. 7075MHz. N Programas de audio digital. Figura 1.11. Canales primarios a 16 Kbps. Figura 1.11 Composición de la señal multicanal FDMA en el segmento de los radiodifusores. De los tres satélites planeados para ser utilizados para la radio digital y recepción de datos, dos de ellos ya están activos: AsiaStar en 105.0 ° este y AfriStar en 21.0 ° este. Aún estamos esperando el tercer satélite –AmeriStar- para Latinoamérica. Cada satélite puede transmitir 40 programas de radio así como también DMS (Direct Media Services). DMS provee contenido de Internet. Estos satélites operan en la banda-L (1453.384 a 1490.644 Mhz) en QPSK bajo MPEG2/layer 3.[5] XM Satellite Radio y Sirius Satellite Radio Estos dos sistemas difunden gran parte de su programación sin anuncios publicitarios y se mantienen económicamente en base a las suscripciones que los usuarios deben pagar para tener derecho a los servicios ofrecidos. Por otra parte, ofrecen una pareja y extensa variedad de canales de diferentes temáticas. Este esquema es viable gracias a la gran cobertura de que disponen (todo el territorio continental de EEUU y gran parte de Canadá), ya que de otra manera (piénsese en la localidad de las actuales emisoras de AM o FM convencional) no tendrían audiencia suficiente como para soportar tal oferta de canales en base exclusivamente a financiación publicitaria. La idea de estos sistemas es llegar al gran público de una manera sencilla, rápida y no sólo a receptores fijos en cualquier parte del territorio, sino también a receptores móviles sin pérdidas ni interrupciones en la recepción..

(37) Capítilo1. Intrdución a los sistamas de audio digital por satélite. 27. Quizá esta última característica pueda ser la más llamativa para los usuarios, teniendo una potencialidad de utilización muy importante en automóviles. En cualquier caso, la filosofía del servicio implica la utilización de antenas muy pequeñas, de baja ganancia y omnidireccionales, manejables y fáciles de instalar, a diferencia de otros sistemas anteriores de recepción de señal vía satélite. De cara a asegurar la calidad de recepción en Tierra, se emplean técnicas de diversidad o redundancia. Así, tanto XM como Sirius transmiten simultáneamente desde dos satélites distintos en distinta ubicación física. Ambos satélites transmiten la misma señal pero en diferentes bandas de frecuencia y con un cierto desfase temporal, consiguiendo así redundancia espacial, frecuencial y temporal. La diversidad espacial, conseguida por la transmisión desde dos puntos geográficamente muy separados, permite que un receptor en movimiento pueda seguir recibiendo señal desde uno de los satélites cuando entra en zona de sombra para el otro. La diversidad frecuencial, conseguida por la transmisión en dos bandas de frecuencia diferentes, permite combatir los efectos indeseados del eco multitrayecto. Finalmente, la diversidad temporal, conseguida por la transmisión de las dos señales. desfasadas temporalmente, permite utilizar porciones de señal anteriormente. almacenadas para cubrir eventuales intervalos en ausencia de señal. Lógicamente esta técnica implica la necesidad de introducir un cierto retardo en la retransmisión, que se sitúa entre 4 y 5 segundos. Con todo, gracias a esta triple redundancia, que los receptores deben ser capaces de gestionar, se reduce notablemente la probabilidad de que la calidad el servicio resulte deteriorada, incluso en condiciones meteorológicas adversas. [2].

(38) Capítulo 2. Características de propagación del enlace digital. CAPÍTULO 2.. 2.1. 28. Características de Propagación del radioenlace digital. Introdución. Como se había dicho en el capítulo anterior una de las ventajas de estos sistemas es que mediante los mismos se superan los efectos que la propagación multitrayecto (debida a las reflexiones en edificios, montañas),que se produce en los receptores estacionarios, portátiles y móviles y se protege la información frente a interferencias y perturbaciones. Estas mejoras se logran mediante la transmisión COFDM que utiliza un sistema de codificación para distribuir la información entre un elevado número de frecuencias. Este capítulo aborda este tema así como la técnica de compresión de sonido MUSICAM.También se pretende explicar las características de radioprapagación del enlace digital en los distintos entornos. 2.2. Compresión de sonido. El primer paso para crear un sistema digital consiste en obtener la información del sistema en este formato, el digital. Para esto en el caso de la radiodifusión Sonora es necesario digitalizar la información de audio de los programas. El sistema DAB emplea un sistema de codificación denominado MUSICAM que se corresponde con la capa II del sistema de codificación MPEG. El MPEG define las técnicas de codificación de audio y vídeo. Es el tipo de codificación empleado en redes de radiodifusión digital de audio (DAB) y también es la norma que rige la codificación del sonido e imagen en sistemas de radiodifusión digital de TV, aunque este no es el caso que nos ocupa. De entre las tres capas distintas propuestas en la norma MPEG la capa II fue escogida para el sistema DAB y otros servicios de radiodifusión tras realizarse un gran número de pruebas. Este modo de codificación se caracteriza por su flexibilidad:.

(39) Capítulo 2. Características de propagación del enlace digital •. 29. Modo de operación: MPEG trabaja con señales mono y estéreo, Un modo de codificación joint estéreo puede ser utilizado para codificar de modo más eficiente los canales L, y R de una señal estéreo. Layer-3 permite mid/side estéreo y para muy. bajos. bitrates. codificación. intensity. estéreo. permitiendo. mantener. correctamente la imagen estéreo (por ejemplo para instrumentos en movimiento). Los modos de operación que se permiten son:. •. -. Mono. -. Dual channel. -. Estéreo. -. Joint estéreo. Frecuencia de muestreo: MPEG trabaja con un número diferente de frecuencias de muestreo.. En primer lugar fue desarrollada la norma MPEG-1 que en su segunda capa define el sistema de codificación de señales de audio MIC (Modulación por Impulsos Codificados), muestreadas con distintas frecuencias de muestreo (32, 44,1 y 48 KHz), empleándose tasas binarias que van desde los 32 a los 384 Kbps dependiendo de si el canal es monofónico o estereofónico. Posteriormente, fue elaborada la norma MPEG-2 que tenía como principal objetivo lograr la codificación de audio de más canales y conseguir aplicar la norma inicial a señales muestreadas a menor frecuencia. Así, se puede concluir que el sistema DAB emplea codificación MPEG Audio Layer II (MUSICAM). Cuando se muestrea a 48 KHz se usa la norma MPEG-1 y cuando la frecuencia de muestreo es de 24 KHz se sigue la norma MPEG-2. La frecuencia de muestreo de la señal MIC, tanto de entrada en la parte de transmisión como de salida en la parte de recepción, debe ser siempre 48 KHz, cuando se usa MPEG-2 es necesarios cambiar la frecuencia de muestreo de 48 KHz a 24 KHz en ambos extremos de la cadena. El codificador procesa la señal MIC y genera una salida de tasa binaria desde 8 Kbps a 384 Kbps. El sistema MUSICAM lo podemos definir como un sistema de codificación que emplea diferentes técnicas estadísticas y modelos psicoacústicos del oído humano para comprimir.

(40) Capítulo 2. Características de propagación del enlace digital. 30. la información de audio eliminando la información redundante e imperceptible. Además, los codificadores incluyen en la trama de salida los datos PAD (Program Associated Data) del programa y CRC (Código de redundancia cíclica). La trama se estructura de la siguiente manera: 1. Header 1.1 Syncword 1.2 ID 1.3 Layer 1.4 Protection bit 1.5 Bit rate index 1.6 sampling frequency 1.7 padding bit 1.8 mode 1.9 mode extension 1.10 copyright 1.11 original/home 1.12 emphases 2. Error check (if protection bit=0) 3. Audio data 4. Ancillary data Header: Parte de la trama que contiene información de sincronización y estado. Error _ check: Parte de la trama que contiene información para la detección de errores. MPEG define una protección parcial de trama de audio. Audio _ data: Parte de la trama que contiene información sobre las muestras de audio MP3 codifica 1152 muestras de audio en cada trama..

(41) Capítulo 2. Características de propagación del enlace digital. 31. Ancillary_data: Parte de la trama que puede ser utilizada para la transmisión de datos auxiliares. Datos auxiliares Esta última parte de la trama no esta definida en el standard y permite la transmisión de datos genéricos asociados o no asociados al audio. Han surgido diferentes ideas para intentar “normalizar” alguna información que pueda ser enviada en este campo, como la información asociada al audio nombre de la obra, autor, compositor, género. En 1996 Eric Kemp propuso la utilización de los últimos 128 bytes de la trama para transmitir título de la canción, artista, álbum, año, comentarios, género. Esto se denominó ID3 Posteriormente Michael Mutschler incluyó información adicional, generándose la versión ID3V1.1 Actualmente el nuevo ID3 se denomina ID3v2, y está actualmente en un estado de standard informal. En la siguiente figura se muestra el diagrama de bloques de un codificador de audio para DAB.. Figura 2.1. Diagrama de bloques de un codificador de audio para DAB.. La señal de entrada PCM es conducida en primer lugar a un banco de 32 filtros que reparte la señal de entrada en 32 bandas distintas (grupos de 36 muestras), el Modulador Psicoacústico determina la forma en la que el Cuantificador/Codificador tratará cada banda. Para hacer esto último del Posicionador de Bits recoge los datos del Modelador.

(42) Capítulo 2. Características de propagación del enlace digital. 32. Psicoacústico y determina el trato que recibirá cada banda respetando en cualquier caso la duración y tamaño de la trama de audio. Finalmente, en el bloque de entramado se forma la trama de audio DAB (audio + PAD) que se corresponde con 1152 muestras PCM y tiene una duración de 24 ms, se incluye la información de audio y los datos necesarios para su decodificación. El Modelador Psicoacústico consigue eliminar la información que el oído humano no percibe: •. Sonidos por debajo del umbral audible.. •. Sonidos que quedan enmascarados por otros más intensos.. El decodificador presente el siguiente diagrama de bloques de forma simplificada. Figura 2.2 Diagrama en bloques simplificado del codificador. En primer lugar se desentrama el audio codificado para de este modo conseguir por separado audio, PAD, datos de reconfiguración. El bloque Reconstructor usando la información de control recupera las 32 bandas que finalmente se filtran de forma inversa a la empleada en el codificador para obtener de nuevo la señal PCM inicial. Con este método de codificación se consigue comprimir la señal de audio disminuyendo el flujo binario de salida sin que se degrade la calidad de la señal. Es posible difundir un canal monofónico con tasas de 32, 48 y 56 Kbps, dos canales o estereofónicos a partir de 64 Kbps y se consigue sonido de alta calidad a partir de 224 Kbps..

(43) Capítulo 2. Características de propagación del enlace digital 2.3. 33. Modulación COFDM. COFDM utiliza en vez de una portadora con alta tasa de símbolos, muchas portadoras (sobre 1536) separadas a 1KHz.Cada portadora se puede asumir como una transmisión que utiliza QPSK. 2.3.1. Características de canal. El canal de radiodifusión utilizado para recepción móvil en áreas urbanas es particularmente un entorno hostil para las transmisiones .Interferencia industrial, bastante multipropagación causada por obstáculos naturales necesitan de un sistema de modulación sofisticado si se desea un nivel de comunicación excelente. El modelamiento de canal con multipropagación (multipath), asume que la señal recibida es la suma de señales retardadas y esparcidas. El esparcimiento de la señal (debido a árboles, otros vehículos, etc.) se puede modelar por factores que multiplican la señal original y retardada, estoe factores obedecen a una distribución de Raleight con una probabilidad determinada. Bajo este contexto de canal, los problemas que se pueden resumir en dos aspectos: 1. Respuesta al impulso del canal: debido a su esparcimiento causa interferencia intersimbólica a medida que la tasa de bits aumenta. 2. Características dinámica del canal, como resultado del entorno cambiante que rodea a un vehiculo en movimiento. Lo anterior causará degradación en la estimación de la fase del receptor. Características de canal. 2.3.2 Principios de la modulación COFDM Tomando en cuenta el modelamiento anterior, es posible representar los efectos de la transmisión, combinando la respuesta de frecuencia del canal y la variación del tiempo. Considerar cuando el canal es invariante cuando es estadísticamente, constituye la base de la modulación y codificación del canal de esta sistema. La información a transmitir se divide en un número grande de portadoras con una baja tasa de símbolos, formando un canal de 1.5 MHz aproximadamente. Como consecuencia, se refuerza la protección contra ecos cuando el receptor ve la señal directamente del.

(44) Capítulo 2. Características de propagación del enlace digital. 34. transmisor junto con un número de señales retardadas debido a reflexiones del terreno y construcciones. Repitiendo deliberadamente parte de cada símbolo en el llamado intervalo de guarda, COFDM provee tolerancia contra la interferencia intersimbólica. Mientras el retardo de las señales de eco sea menor que el intervalo de guarda, existirá un beneficio constructivo en la recepción. La idea del sistema es aprovechar los ecos de una señal distante operando en el mismo canal, de modo que aumente la potencia en el receptor. El tomar ventaja de la multipropagación es una idea que permitirá crear la llamada red de frecuencias únicas, en donde, la interferencia causada por transmisores a grandes distancias del mismo programa y en la misma frecuencia dejará de ser considerada como negativa, algo que con los sistemas FM habría sido imposible de concebir. 2.4 Características de radiopropagación en interiores (indoor) Los efectos de la radiopropagación en interiores están determinados en gran parte por el material utilizado en la construcción del inmueble. Los materiales no metálicos permiten la penetración directa, aunque atenuada, de la señal del satélite con un mínimo de dispersión multitrayecto. La atenuación promedio está entre 5 y 11 dB tomando en cuenta variaciones con la distancia. La penetración de señales en estructuras que utilizan bastante material metálico, se lleva a cabo de forma indirecta, principalmente a través de puertas y ventanas. En este caso la radiopropagación está caracterizada de multitrayectos. Aún así, la dispersión del atraso (en muchas situaciones) está en el orden de les decenas de nanosegundos dando como resultado un desvanecimiento plano (cuando la caída del nivel de señal afecta por igual a todas las componentes del espectro de una portadora modulada). De esta manera, las técnicas de diversidad de frecuencia como COFDM y CDMA o técnicas de ecualización no permiten. mejorar el comportamiento del sistema de recepción. Las contramedidas. fundamentales para resolver este tipo de desvanecimiento en interiores son la diversidad espacial de antenas, la direccionalidad de la antena y la selección de un lugar apropiado dentro del local interior. [6],[7],[8].

(45) Capítulo 2. Características de propagación del enlace digital. 35. 2.5 Características de radiopropagación en medios rurales y sub-urbanos En el caso de medios urbanos rurales y sud-urbanos, el modelo físico del enlace descendente se muestra en la figura 2.3. Figura 2.3 Modelo físico del enlace (descendente) radiomóvil en banda L. La portadora modulada transmitida por el satélite en forma de onda radioeléctrica se recibe por el terminal móvil a través de tres vías fundamentales: 1. La componente directa o visual (LOS: Line _Of_Sight) que se recibe directamente del satélite. 2. La componente especular, que representa la señal captada a partir de una reflexión simple (normalmente cercana a la superficie terrestre) que llega como una versión retardada de la componente directa. 3. La componente difusa, que es el resultado de señales multitrayecto (debido a reflexiones múltiples) desde todas las direcciones receptoras del móvil, la cual posee un patrón omnidireccional en el plano acimutal..