Diseño de antenas activas exteriores para la televisión digital en Cuba

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA “DISEÑO DE ANTENAS ACTIVAS EXTERIORES PARA LA TELEVISIÓN DIGITAL EN CUBA” Autor: Carlos Eduardo García Alcalá Tutor: Ing. Tuan E. Cordoví Rodríguez. Santa Clara 2016 "Año 58 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA “DISEÑO DE ANTENAS ACTIVAS EXTERIORES PARA LA TELEVISIÓN DIGITAL EN CUBA” Autor: Carlos Eduardo García Alcalá e-mail: [email protected] Teléfono: 53651507 Tutor: Ing. Tuan E. Cordoví Rodríguez e-mail: [email protected] [email protected] Teléfono: 42-224367 Santa Clara 2016 "Año 58 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 Telecomunicaciones y Electrónica, 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. “Los obstáculos son esas cosas que las personas ven cuando dejan de mirar sus metas”. E. Joseph Cossman.

(5) ii DEDICATORIA. Dedico esta tesis a: mis padres, por darme la vida, su amor, comprensión y apoyo, porque gracias a ellos hoy estoy aquí; mi hermana, por estar apoyándome a pesar de encontrarse muy lejos; mis abuelos, por estar siempre al tanto de mí..

(6) iii AGRADECIMIENTOS. A mis padres, por ser ejemplos de gran sacrificio y humildad, los cuales me ha inspirado siempre a superarme como profesional y como ser humano. A mi tutor Tuan por demostrarme gran profesionalidad y apoyo desinteresado. A los profesores del departamento de Telecomunicaciones por brindarme su apoyo en estos 5 años. A Cano, Yordany, Luis Eduardo, El Purito, Gustavo, Roly, Carly, Javier, Chiki, Sergio y a todos aquellos que me pusieron en sus agradecimientos y me obligaron a ponerlos en el mío. A mis amigos de la infancia: Alexander, Ángel Roberto, Alex, Lazarito, Luis Ernesto y Andy, los cuales nunca olvidaré, aunque hallamos tomado diferentes caminos..

(7) iv RESUMEN El presente trabajo está encaminado al diseño de antenas activas exteriores para la TDT en Cuba, esto debido a los nuevos cambios tecnológicos en los que está inmersa la televisión en el país y al aceptado interés de la Empresa Antenas Villa Clara de participar en estas transformaciones. El empleo del elemento activo constituye algo novedoso ya que en el país no se había construido o diseñado anteriormente antenas así con fines de recepción de la señal televisiva y en este caso se emplearon amplificadores MMICs que facilitan el diseño y presentan mejores características que los conformados con transistores. Para dar cumplimiento al propósito marcado se analizaron varios documentos con los que se pudieran estudiar las características de las antenas para el posterior diseño con la ayuda del software CST Microwave Studio 2015 y para la conformación del módulo activo se empleó el software profesional AWR Microwave Office. Las mediciones con las antenas físicas ya conformadas mostraron resultados satisfactorios con el canal 32 que fue el monitoreado. Los niveles de potencia, ROE, las pérdidas por retorno, relación señal a ruido, MER y BER se mostraron dentro de los márgenes aceptados..

(8) v TABLA DE CONTENIDOS PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii RESUMEN ............................................................................................................................iv TABLA DE CONTENIDOS .................................................................................................. v INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1.. CARACTERIZACIÓN DE LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE. Y LAS ANTENAS ACTIVAS EXTERIORES PARA LA RECEPCIÓN EN CUBA .......... 4 1.1. Televisión Digital Terrestre (TDT) .......................................................................... 4. 1.1.1. Ventajas de la TDT ........................................................................................... 5. 1.1.2. Principales parámetros para medir la calidad de la TDT .................................. 7. 1.1.3. Instrumentación utilizada en las mediciones de parámetros en la recepción de. TDT. 8. 1.2. La Televisión Digital en Cuba ............................................................................... 10. 1.2.1 Norma de la Televisión Digital China DTMB..................................................... 11 1.3. Parámetros de Antenas ........................................................................................... 13. 1.3.1. Patrón de Radiación ........................................................................................ 14. 1.3.2. Ganancia ......................................................................................................... 14. 1.3.3. Coeficiente de Radiación Trasera ................................................................... 15. 1.3.4. Impedancia del punto de alimentación ........................................................... 15. 1.3.5. Razón de Onda Estacionaria (ROE) ............................................................... 16. 1.3.6. Ancho de Banda .............................................................................................. 16. 1.4. Antenas Exteriores y Activas para la recepción de TDT ....................................... 16. 1.4.1. Antena Uda-Yagi ............................................................................................ 18.

(9) vi 1.4.2. Método de diseño NBS para antenas Uda-Yagi ............................................. 19. 1.4.3. Propuesta de antenas Uda-Yagi exteriores para TDT ..................................... 20. 1.5. Módulos activos de RF para TDT .......................................................................... 20. 1.5.1. Características fundamentales de los amplificadores de RF ........................... 21. 1.5.2. Módulos activos con tecnología MMIC ......................................................... 22. 1.6. Filtros analógicos para bandas de Televisión......................................................... 23. 1.6.1. Función de transferencia. ................................................................................ 23. 1.6.2. Respuesta en Frecuencia. ................................................................................ 24. 1.6.3. Orden de un Filtro. .......................................................................................... 25. 1.6.4. Tipos de filtros según su función de aproximación ........................................ 25. 1.7. Conclusiones del capítulo ...................................................................................... 26. CAPÍTULO 2.. DISEÑO Y SIMULACIÓN DE ANTENAS EXTERIORES Y. MÓDULOS ACTIVOS ........................................................................................................ 27 2.1. Selección y descripción de los softwares a utilizar ................................................ 27. 2.1.1. CST Microwave Studio .................................................................................. 27. 2.1.2. Microwave Office ........................................................................................... 29. 2.2. Criterios de diseño de antenas Uda-Yagi para TDT .............................................. 30. 2.2.1 Diseño teórico de antena Uda-Yagi ..................................................................... 30 2.2.2 Diseño utilizando herramienta de software ......................................................... 31 2.3. Modelado y Simulación de antena Uda-Yagi de 3 elementos para VHF .............. 31. 2.3.1 2.4. Modelado y Simulación de antena Uda-Yagi de 5 elementos para VHF .............. 35. 2.4.1 2.5. Optimización y análisis en la banda de VHF Banda III ................................. 32. Optimización y análisis en la banda de UHF .................................................. 36. Diseño de filtros de VHF y UHF para TDT ........................................................... 38.

(10) vii 2.5.1. Diseño de los filtros en el software MATLAB con el uso de la herramienta. FDATOOL .................................................................................................................... 39 2.5.2 2.6. Diseño esquemático de filtros en Microwave Office...................................... 39. Diseño del módulo activo de RF ............................................................................ 40. 2.6.1. Propuesta de diseño para VHF y UHF............................................................ 41. 2.6.2. Elección del Amplificador de Bajo Ruido ...................................................... 42. 2.6.3. Diseño de la placa de circuito impreso ........................................................... 43. 2.6.4. Diseño de los elementos inductivos ................................................................ 43. 2.7. Conclusiones del capítulo ...................................................................................... 44. CAPÍTULO 3.. RESULTADOS Y ANÁLISIS ................................................................ 45. 3.1. Instrumentos de medición empleados .................................................................... 45. 3.2. Mediciones de parámetros radioeléctricos de los prototipos de antenas ................ 47. 3.2.1. ROE y Pérdidas por Retorno medidas ............................................................ 47. 3.2.2. Medición de Ganancia y Coeficiente de radiación Trasera ............................ 49. 3.2.3. Medición del patrón de radiación ................................................................... 51. 3.3. Módulos Activos .................................................................................................... 53. 3.3.1 3.4. Mediciones de las respuestas de frecuencias de los módulos activos............. 53. Mediciones de señal en zonas de baja cobertura .................................................... 55. 3.4.1. Mediciones y validaciones en algunas localidades de la provincia Villa Clara 56. 3.5. Valoración Económica ........................................................................................... 58. Conclusiones del capítulo ................................................................................................. 58 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 59 Conclusiones ..................................................................................................................... 59 Recomendaciones ............................................................................................................. 60.

(11) viii REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 61 ANEXOS .............................................................................................................................. 63 Anexo I. : Figuras de referencia para diseño de antenas Uda-Yagi ofrecidas por la NBS 63. Anexo II: Otros criterios acerca de filtros analógicos ...................................................... 65 Anexo III: Aspectos técnicos del MMIC MAR-6 ............................................................ 66 Anexo IV: Circuitos Impresos .......................................................................................... 66 Anexo V: Instrumentos de medición y accesorios ............................................................ 67 Anexo VI: Mediciones ...................................................................................................... 68.

(12) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN Durante las últimas décadas la humanidad ha desarrollado tecnologías enfocadas al mejoramiento de la transmisión de información mediante redes de telecomunicaciones y el aprovechamiento del espectro radioeléctrico para los servicios de telecomunicaciones, incluyendo la parte atribuida al servicio de televisión terrestre radiodifundida. En la actualidad se está viviendo la transformación global de este servicio en el que la TDT (Televisión Digital Terrestre) representa una revolución en la transmisión de programas junto a una gran flexibilidad en los contenidos emitidos siendo posible mezclar un número determinado de canales de video, audio y datos en una sola señal. Desde hace varios años en el país se ha ido evaluando la idea de iniciar la instalación de la tecnología para la radiodifusión digital, esto debido a que el mundo de hoy se encuentra completamente inmerso en una carrera tecnológica donde lo analógico ya va en desuso y lo digital va a la vanguardia. Ya hoy es un hecho y la televisión digital está inundando cada uno de los rincones del país. Pero televisión digital conlleva a un cambio de la tecnología analógica por la digital, por ejemplo, de los televisores analógicos por digitales; además hay que lograr la convergencia de servicios que se logra con la televisión digital. Por otra parte, la TDT presenta problemas no favorables a la hora de la recepción ya que cualquier problema con la recepción la señal se dejaría de ver ya que, la señal se ve o no, por tanto, esto hace que se necesiten antenas capaces de alcanzar los requisitos necesarios para una correcta recepción lo que nos lleva a la búsqueda o perfeccionamiento de diseños que cumplan con los requisitos de recepción de televisión digital en el país. La Empresa Antena de Villa Clara es una institución que juega en papel fundamental en los cambios científicos-tecnológicos en los que se encuentra inmerso el país con respecto a la TDT y se encamina a desarrollar nuevos modelos de antenas que satisfagan las necesidades imperantes en estos momentos. Las antenas activas exteriores son los diseños de mercado más sencillos en la actualidad, que incorporan un elemento activo el cual es necesario para garantizar la recepción en lugares distantes del transmisor, este elemento pudiera ser una de las complicaciones del trabajo ya que no son fáciles de conseguir y se necesita importarlo. Con.

(13) INTRODUCCIÓN. 2. el objetivo de eliminar interferencias producidas por la existencia de diversos servicios que se encuentran en bandas próximas a las recibidas o ante una futura implementación de la telefonía 4G en la banda de 800 MHz se diseñaron e introdujeron filtros analógicos en el módulo activo, esta técnica de mitigación de interferencia reduce las emisiones fuera de banda mejorando el desempeño de los respectivos sistemas de transmisión y de recepción. Además, se pretende en general desarrollar un modelo de fácil y económica fabricación que pueda competir con las importaciones extranjeras y cumpla con los requisitos de recepción del país. Para ello en el presente trabajo se plantea como objetivo general diseñar antenas activas exteriores para la recepción de la televisión digital en Cuba y diseñar y simular el amplificador de RF y los filtros para la confección del módulo activo con la ayuda del software AWR Microwave Office. Para esto se pretende analizar los principales modelos de antenas activas exteriores y así diseñar un prototipo, simular el modelo seleccionado con la ayuda del software CST Microwave Studio 2015, para el análisis de los principales parámetros, así como realizar el diseño físico de las antenas, para su análisis real en el campo con el módulo activo incorporado y sin este, de forma tal que nos permita corroborar y comparar los resultados obtenidos mediante la simulación. Para dar cumplimiento a los objetivos propuestos para este trabajo se plantearon una serie de tareas prácticas y de investigación entre las que se proponen como primero realizar un análisis sobre los fundamentos teóricos de las antenas para la televisión digital, principalmente de las exteriores que presentan elementos activos. Segundo realizar un estudio sobre las características más ventajosas de los modelos de antenas seleccionados, así como definir una herramienta de simulación que permita evaluar las características de diseño. Tercero realizar un estudio sobre las características de los amplificadores de RF y de varios filtros pasivos, así como definir una herramienta de simulación que permita evaluar las características de diseño. Y por último comparar los resultados obtenidos durante las simulaciones con las mediciones reales de los modelos físicos. El trabajo se ha conformado por tres capítulos en los cuales se abordan las siguientes temáticas:.

(14) INTRODUCCIÓN. 3. Capítulo 1: Se enfoca en el análisis y estudio bibliográfico de las antenas empleadas para la televisión digital, de los amplificadores de RF y de filtros pasivos y en sus principales parámetros, así como, en los fundamentos teóricos y prácticos de la TDT y sus características en el país. Capítulo 2: Se realiza el diseño de los modelos escogidos, la simulación de los mismos y el análisis de los resultados de la simulación, así como, se diseñará el amplificador y los filtros que se utilizarán para conformar el módulo activo Capítulo 3: Se establecen comparaciones entre las simulaciones y los resultados obtenidos de las mediciones reales. El trabajo también contará de conclusiones donde se establecerá un análisis crítico de los resultados obtenidos en correspondencia con los objetivos trazados. También presentará recomendaciones que tomarán en consideración aquellos aspectos que puedan enriquecer y perfeccionar el estudio realizado en futuras investigaciones. Además, presentará recomendaciones bibliográficas en las que se conformará un listado de la bibliografía consultada siguiendo las normas establecidas. Los anexos incluirán aquellos aspectos del trabajo que, por su longitud o complejidad, no se incluyen en el texto de la tesis pero que auxilian a una mejor comprensión de lo que se expone en ella..

(15) CAPÍTULO 1. CARACTERIZACIÓN DE LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE Y LAS. 4. ANTENAS ACTIVAS EXTERIORES PARA LA RECEPCIÓN EN CUBA. CAPÍTULO 1.. CARACTERIZACIÓN DE LA TELEVISIÓN. DIGITAL TERRESTRE Y LAS ANTENAS ACTIVAS EXTERIORES PARA LA RECEPCIÓN EN CUBA. En el presente capítulo serán abordados aspectos esenciales de la Televisión Digital Terrestre fundamentalmente bajo la norma establecida en Cuba. Se analizan los principales parámetros de calidad para la recepción y de las antenas. Se caracterizan las antenas exteriores más utilizadas para la recepción de la señal de la Televisión Digital y se propone el empleo de módulos activos de RF para estas aplicaciones. 1.1. Televisión Digital Terrestre (TDT) La TDT es un nuevo método de transmisión de la señal televisiva, que incluye la. captación de la imagen y el sonido por las cámaras y micrófonos de un estudio de televisión, el procesamiento posterior en la edición y post producción, el transporte y distribución de las señales, la radiodifusión y la recepción por el televidente. Puede ser transmitida con otras modalidades: cable, satélite, internet y telefonía móvil, ofreciendo inmensas posibilidades a proveedores de servicios y usuarios (Albornoz and Leiva, 2012). Esta nueva tecnología utiliza, al igual que la Televisión Analógica, ondas radioeléctricas para transmitir la señal, pero la información se envía de forma binaria, o sea, mediante ceros y unos. La comunicación digital comprende la transmisión de símbolos discretos a través de un canal ruidoso. Estos símbolos discretos pueden provenir bien de fuentes de datos discretos tales como teleimpresores, computadoras, etcétera, o bien de fuentes cuyas señales son analógicas pero que han sufrido un proceso de digitalización como, por ejemplo: voz,.

(16) CAPÍTULO 1. CARACTERIZACIÓN DE LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE Y LAS. 5. ANTENAS ACTIVAS EXTERIORES PARA LA RECEPCIÓN EN CUBA. video, etcétera. La transmisión digital implica que las señales transmitidas son tomadas de un conjunto finito de señales, correspondientes a los símbolos discretos y entonces el receptor decide qué señal del conjunto finito fue la recibida. Los canales radioeléctricos de la televisión digital ocupan el mismo ancho de banda (6 MHz) que los canales utilizados por la televisión analógica pero, debido a las técnicas de compresión de las señales de imagen y sonido (MPEG), tienen capacidad para un número variable de programas de televisión en función de la velocidad de transmisión, pudiendo oscilar entre un único programa de televisión de alta definición ¨HDTV¨ (gran calidad de imagen y sonido) a cuatro programas con calidad técnica similar a la actual ¨SDTV¨ (Guerrero and Ramos, 2009). La emisión de TV-Digital logra emitir entre 4 y 6 señales de definición estándar, o dos señales en alta definición, ocupando el mismo espacio radioeléctrico que una señal analógica. Estas señales comparten prácticamente toda la infraestructura de la cadena de transmisión con lo cual se logran importantes ahorros de costo y de consumo de energía. Buena parte de las transformaciones centrales que en los últimos lustros atraviesa el medio televisivo tienen que ver con la digitalización y compresión de la transmisión de señales. En contraste con la televisión tradicional, que emite de manera analógica, la televisión digital codifica sus señales en forma binaria, permitiendo una gestión más eficiente del servicio con la posibilidad de brindar más y mejores opciones añadidas (Albornoz and Leiva, 2012). La televisión digital ha acabado por identificarse con la reconversión de las redes de distribución de programación a pesar de contar con una historia de más de medio siglo sobre sus espaldas. Los tradicionales sistemas de televisión hertziana o terrestre en abierto, edificados a escala nacional a lo largo de la segunda parte del siglo pasado, son los que en los últimos años están siendo reformulados a partir de complejos procesos de digitalización con importantes y diversas implicaciones de tipo económico y tecnológico-industrial, pero también sociocultural. 1.1.1 Ventajas de la TDT.

(17) CAPÍTULO 1. CARACTERIZACIÓN DE LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE Y LAS. 6. ANTENAS ACTIVAS EXTERIORES PARA LA RECEPCIÓN EN CUBA. Los sistemas de transmisión de la TDT poseen algunos beneficios que se resumen como sigue (Albornoz and Leiva, 2012, Moreno et al., 2011, Prado, 2003):  Aumenta sensiblemente la calidad de sonido e imagen, tanto en su definición como en su robustez, frente a los efectos de las interferencias.  Mejor aspecto de pantalla (de una razón 4:3 se pasa al cinematográfico 16:9).  Posibilita servicios interactivos.  Permite con el programa en curso, transmitir datos y audio adicionales (como son subtítulos, radio digital, alarmas, traducción, etc.).  Los equipos pueden trasladarse de un sitio a otro a diferencia de las instalaciones de televisión satelital que son fijas.  Mejor recepción (señal libre de ruido).  Menor costo de transmisión por programa.  Un mejor aprovechamiento del espectro radioeléctrico.  El ancho de banda liberado puede destinarse a la emisión de otros programas, emisiones de televisión de alta definición o a la transmisión de datos y nuevos servicios interactivos.  Permite un consumo asincrónico a través del almacenado de programas en discos duros de decodificadores.  Permite utilizar SFN (Single Frequency Network, Red de Frecuencia Única). En la TV analógica, a medida que se desvanece gradualmente el nivel de señal, la imagen en pantalla se va deteriorando cada vez más hasta desaparecer por completo. La robustez fundamental que presenta la TV Digital es que mientras el nivel de señal se encuentre dentro del rango de aceptación, la misma se podrá disfrutar con alta calidad, pero a medida que disminuye el nivel de la señal, siendo débil con respecto a los ruidos u otras interferencias que influyen, aparece el característico Precipicio Digital (Cliff Digital) que es la incapacidad de detección del receptor, empieza a “pixelarse” hasta dejar de verse la imagen por completo, y es lo que justifica el dicho popular de “se ve o no se ve” (Standard, 2013). En la Fig. 1.1 se puede observar un modelo de comparación de señal entre ambas tecnologías..

(18) CAPÍTULO 1. CARACTERIZACIÓN DE LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE Y LAS. 7. ANTENAS ACTIVAS EXTERIORES PARA LA RECEPCIÓN EN CUBA. Fig. 1.1. Comparación entre los niveles de recepción de señal Analógica y Digital 1.1.2 Principales parámetros para medir la calidad de la TDT Los principales parámetros para medir la calidad de la televisión digital terrestre son los siguientes (MIÑANA and VICENT, 2011): . Nivel de señal: Es la que se recibe en la toma de la vivienda o local, se. mide en dBm. El valor admisible mínimo conocido como TOV Umbral de Visibilidad (Threshold Of Visibility)(SECTOR, 2008), en pruebas realizadas en laboratorios indican valores de muy bajo nivel de señal desde -86 dBm a -68 dBm para los receptores repartidos a la población cubana [2] [3] indicados en la Tabla I. Tabla I: Indicadores de recepción de la señal en receptores de TVD Niveles según UIT-R BT.2035-2. Indicador según UIT-R BT.2035-2. >-15 dBm. Muy intenso. -15 dBm>nivel>-28 dBm. Intenso. -28 dBm>nivel>-53 dBm. Moderado. <-68 dBm. Débil.

(19) CAPÍTULO 1. CARACTERIZACIÓN DE LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE Y LAS. 8. ANTENAS ACTIVAS EXTERIORES PARA LA RECEPCIÓN EN CUBA. . El BER (Bit Error Ratio): Es el parámetro fundamental que nos. determina la calidad de la señal demodulada (trama de transporte) de los sistemas de televisión digital terrestre (se mide después del decodificador del Reed Solomon). Cuantifica el número de errores de bit de una trama sea cual fuere el origen del error (falta de nivel de señal, C/N pobre, distorsiones, etc.). Por lo tanto, midiendo tan solo este parámetro y manteniéndolo por debajo de los límites de decodificación correcta, se asegura la calidad de la señal recibida. Dependiendo de cuántos bits erróneos lleguen, la señal se hará más o menos decodificable. Al ser el BER quien cuantifica los bits erróneos que están llegando al receptor, si esa cantidad de bits transformados sobrepasa una determinada cantidad, el receptor será incapaz de corregirlos(Alvariño, 2009). El valor mínimo que puede tomar el BER es de 1* . . MER (Modulation Error Ratio): define un factor que nos informa de la. exactitud de una constelación digital. Esta es una herramienta cuantitativa que permite valorar cómo es de buena una señal modulada digital. Valores menores a 30 dB son deseables para moduladores digitales comerciales, cuando más elevado sea el valor del MER significa que se pueden interpretar mejor los símbolos recibidos por el demodulador y por consiguiente la interferencia entre símbolos (IES) será menor. Este parámetro también se puede llamar C/N o diagrama de constelaciones(Alvariño, 2009).. Fig. 1.2. Interpretación física de MER dentro de la modulación digital 64QAM 1.1.3 Instrumentación utilizada en las mediciones de parámetros en la recepción de TDT.

(20) CAPÍTULO 1. CARACTERIZACIÓN DE LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE Y LAS. 9. ANTENAS ACTIVAS EXTERIORES PARA LA RECEPCIÓN EN CUBA. Para las mediciones se utilizan analizadores de TV que brinda múltiples prestaciones para mediciones sobre todo en la norma DTMB China. Estos analizadores permiten al usuario:  Realizar ajustes para compensar los diversos datos medidos de nivel, y las funciones de escaneo de canales.  Seleccionar la unidad de medida a usar, dBμV, dBmV o dBm.  Es compatible con los estándares: ATSC y DVB  La interfaz de medición del canal de DTMB proporciona el nivel MER y BER.  Permite al usuario ajustar la configuración de medida de acuerdo a los tipos de canales, TV analógica, DVB-C, DVB-T, DVB-T2, DTMB y FM analógico. Todos estos parámetros descritos anteriormente se pueden calcular con instrumentos de medida como son los Medidores de Campo Portátiles con diversas funcionalidades como el de la siguiente Fig. 1.3, donde se pueden observar dos mediciones de campo a una distancia considerable de un transmisor de dos antenas: una exterior y otra interior pasiva dentro de un local, a través del instrumento, el Analizador de TV S7000.. Fig. 1.3. Lectura típica de un instrumento de medición portátil para TDT Se muestra la validez de los parámetros de medida, los cuales para la antena exterior están dentro de los parámetros aceptables, mientras que, en la interior, todos los parámetros.

(21) CAPÍTULO 1. CARACTERIZACIÓN DE LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE Y LAS. 10. ANTENAS ACTIVAS EXTERIORES PARA LA RECEPCIÓN EN CUBA. se encuentran deteriorados, y es por ello que la tasa de errores es considerable y mayor a la recomendada, y en este caso, el televisor “no se ve”. 1.2. La Televisión Digital en Cuba El 10 de septiembre del 2013 fue publicado en la Gaceta Oficial de la República de. Cuba, el acuerdo 7455 del Consejo de Ministro mediante el que se aprueba el estándar internacional de trasmisión de televisión digital terrestre DTMB, se autoriza su introducción y despliegue en Cuba con las adecuaciones y mejoras tecnológicas necesarias para el país luego de varios años de estudio y la realización de pruebas técnicas (LEÓN, 2014). El despliegue de la Televisión Digital Terrestre es un proyecto integral de creación de infraestructura social, con la finalidad de mejorar el nivel de vida del pueblo, introduciendo una tecnología de punta que beneficia a toda la población y anticiparse a la inevitable obsolescencia tecnológica. Se estima que en el año 2020 el 90 % de todos los televisores en el mundo estarán preparados para captar las señales digitales, lo que provocará una aguda escasez de piezas de repuesto para los televisores y demás equipos que trabajan con señal de tipo analógico. Es un cambio inevitable que cada país tiene que enfrentar y que se enmarca en el proceso de digitalización que ya ha tenido lugar en muchas tecnologías, como la telefonía fija y móvil, el almacenamiento y la transmisión de datos, Internet, la prensa, el cine, las transmisiones satelitales y las comunicaciones en general. Se prevé que la Televisión Digital estará instalada totalmente en Cuba en el año 2021, cuando se aplicará el “apagón analógico”, luego de transitar por tres etapas para introducir ese sistema de trasmisión que traerá ventajas como la mayor calidad en el servicio (LEÓN, 2014). Las características de la Televisión Digital permiten un mejor aprovechamiento del espectro radioeléctrico, razón por la cual, el espectro dedicado a la transmisión de televisión será reducido a la Banda III de VHF desde el canal 7 al 13 y la Banda de UHF desde el canal 14 al 52 (HEREDIA, 2013). Además, se pretende emigrar hacia la banda de UHF, o sea, a partir de 470 MHz y hasta aproximadamente 700 MHz (canal 51). Esta.

(22) CAPÍTULO 1. CARACTERIZACIÓN DE LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE Y LAS. 11. ANTENAS ACTIVAS EXTERIORES PARA LA RECEPCIÓN EN CUBA. reducción del espectro hace necesaria una nueva distribución de canales a los centros transmisores de televisión en el país. 1.2.1 Norma de la Televisión Digital China DTMB. El sistema DTMB (Digital Terrestrial Multimedia Broadcast) es el estándar de televisión para terminales fijos y móviles de China. Este DTMB surge de la fusión de los estándares ADTB-T (desarrollado por la universidad de Shanghái), DMB-T (desarrollado por la universidad de Beijing) y el TiMi (Terrestrial Interactive Multiservice Infraestructure) propuesto por la Academia de Ciencias de Radiodifusión. Dentro de las principales características del estándar tenemos:  Tasa de transmisión de bits: de 4,813Mbps a 32,486Mbps.  La transmisión de datos es implementada mediante el estándar TDS-OFDM ("Time Domain Synchronuous Orthogonal Frequency Division Multiplexing"), el cual, de acuerdo con el co-desarrollador de DMB-T con la Universidad Tsing Hua, es capaz de trasmitir calidades "aceptables" de señal para receptores HDTV moviéndose (por ejemplo, en coche o tren) a velocidades de hasta 200 Km/h.  DTMB no define códecs de compresión (como MPEG-4 y MPEG-2), dejando esa decisión a discreción del transmisor. Eso significa que los receptores tendrán que ser capaces de descifrar múltiples formatos, lo que los hará más caros, pero a su vez los distribuidores de señal podrán prestar otro tipo de servicio que permita a los canales de televisión emitir con las características que ellos deseen, dando servicio a la alta definición e incluso a la interactividad con el usuario.  Difusión de SD, HD, y servicios multimedia.  Para los Códecs de Audio la norma establece Dolby Digital, también conocido como AC-3 (Audio Códec 3) y SR-D (Spectral Recording-Digital).  Flexibilidad de servicios.  Procesamiento de datos en dominio temporal y frecuencial.  Difusión de entre 6 y 15 canales en SD y 1 o 2 en HD. 1.2.2. La Norma DTMB adoptada por Cuba.

(23) CAPÍTULO 1. CARACTERIZACIÓN DE LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE Y LAS. 12. ANTENAS ACTIVAS EXTERIORES PARA LA RECEPCIÓN EN CUBA. Al igual que en televisión analógica, en la difusión de televisión digital terrestre los proveedores de servicios deben planificar las zonas de coberturas de acuerdo a un nivel de intensidad de campo mínimo necesario, aunque a diferencia de la televisión analógica, este no solo depende de la banda de frecuencia seleccionada, sino también de otros factores. En Cuba se ha decidido recientemente la adopción del estándar de televisión digital chino DTMB en su versión de 6 MHz, el cual posee más de cien modos de configuración de transmisión, cada modo puede variar en los siguientes parámetros:  Razón de código (FEC): 0.4, 0.6 ó 0.8.  Constelación de símbolos: 4QAM-NR, 4QAM, 16QAM, 32QAM ó 64QAM.  Profundidad del Entrelazado Temporal: 240 ó 720 símbolos.  Longitud de la cabecera: PN420, PN595 ó PN945.  Cantidad de portadoras: C = 3780 ó C = 1. Existe un compromiso entre el modo a utilizar y la carga útil de información que puede ser transmitida, como es de esperar, un fortalecimiento de la señal representa una disminución de esta carga útil. En el país, en correspondencia con la programación que se quiere brindar en la primera etapa, se ha seleccionado el siguiente modo de transmisión para el formato de Standard Definition, Definición Estándar (SD) y High Definition, Alta Definición (HD):  Razón de código (FEC): 0.6.  Constelación de símbolos: 16QAM (HD) y 64QAM (SD).  Profundidad del Entrelazado Temporal: 720 símbolos.  Longitud de la cabecera: PN420.  Cantidad de portadoras: C = 3780. EL modo de transmisión SD posee un mapeo de 64QAM y permite una taza binaria máxima de 18,3 Mb/s(Martinez Alonso et al., 2014) y el HD posee un mapeo de 16QAM y una taza binaria de 10.829 Mb/s (Fundora, 2014) .Como el ancho de banda es de 6 MHz, la razón de símbolos pasa a ser 5,67 Ms/s, produciéndose una reducción de la carga útil a transmitir (en una razón 3/4), en comparación con los 7,56 Ms/s que establece la norma para un ancho de banda de 8 MHz La estructura de trama, sincronización, modulación,.

(24) CAPÍTULO 1. CARACTERIZACIÓN DE LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE Y LAS. 13. ANTENAS ACTIVAS EXTERIORES PARA LA RECEPCIÓN EN CUBA. estimación de canal y corrección de errores son compatibles tanto en sistemas de 6 MHz como en 8 MHz (Bovino and Durán, 2008). A los principales centros transmisores del país les fue asignado al menos una frecuencia en la Banda III de VHF, lo que permite lograr la misma zona de servicio con transmisores de menos potencia, permitiendo así un ahorro considerable de energía. 1.3. Parámetros de Antenas Las ecuaciones de Maxwell relacionan los campos eléctricos y magnéticos con las. cargas y corrientes que los crean. La solución de las ecuaciones da lugar a formas de onda guiadas como las que ocurren en las líneas de transmisión y guías de ondas, o a otras, libres en el espacio como las radiadas o recibidas por las antenas. El IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) define una antena como “aquella parte de un sistema transmisor o receptor diseñada específicamente para radiar o recibir ondas electromagnéticas”. El objetivo de las antenas es actuar de interfaz entre una onda electromagnética guiada (a través da una línea de transmisión, guía de onda etc.) y una onda electromagnética no guiada, radiada en un medio, en general, el aire (Anguera and Pérez, 2008). El transmisor puede ser descrito como una fuente de Thevenin compuesta por un generador de voltaje en serie con su impedancia de salida, proporcionando una potencia a la antena transmisora. Dicha antena radía una onda esférica, la cual, a partir de largas distancias se aproxima a una onda plana. La antena receptora intercepta una porción de la onda y proporciona la potencia recibida a la impedancia de carga del receptor (Etxeondo and Javier, 2012).. Fig. 1.4. Esquema de funcionamiento entre antenas transmisoras y receptoras Para el caso de la antena transmisora, su propósito es radiar eficientemente la energía electromagnética hacia direcciones convenientes, como es el caso de la antena transmisora.

(25) CAPÍTULO 1. CARACTERIZACIÓN DE LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE Y LAS. 14. ANTENAS ACTIVAS EXTERIORES PARA LA RECEPCIÓN EN CUBA. de un canal de TDT determinado, que debe darle cobertura a una localidad determinada, haciendo uso de la máxima potencia disponible. En el caso de una antena receptora, su función es captar ondas radioeléctricas, debilitadas y contaminadas con ruido, en direcciones convenientes, como es el caso de las antenas receptoras de señales de TDT bien orientadas, que permiten que el receptor recupere la información contenida en esta señal. Estas últimas constituyen el objetivo de este trabajo. Para facilitar el propósito de la radiación, la longitud física de la antena debe ser comparable con la longitud de onda de operación. A medida que la frecuencia es más alta, el tamaño real de la antena es menor, y a la inversa. 1.3.1 Patrón de Radiación Se define como la representación gráfica de las características de radiación en función de la dirección angular. La onda electromagnética radiada se compone de un campo eléctrico E y uno magnético H, los cuales son perpendiculares entre sí y a su vez son perpendiculares a la dirección de propagación que es radial, desde la fuente hacia el infinito. En la figura se muestran algunos diagramas de radiación típicos (MIÑANA and VICENT, 2011).. Fig. 1.5. Diagramas de radiación (a) en 3D y (b) en polares 1.3.2 Ganancia La ganancia de una antena se define como la relación entre la densidad de potencia radiada en una dirección y la densidad de potencia que radiaría una antena isotrópica, a.

(26) CAPÍTULO 1. CARACTERIZACIÓN DE LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE Y LAS. 15. ANTENAS ACTIVAS EXTERIORES PARA LA RECEPCIÓN EN CUBA. igualdad de distancias y potencias entregadas a la antena, considerando la eficiencia de radiación. Matemáticamente se ve en la siguiente expresión: (. ). [. (. ). ]. (1.1). Es uno de los parámetros más usados para describir el desempeño de una antena práctica. Está normalmente dada en decibeles isotrópicos [dBi], ya que representa la ganancia en comparación con una antena isotrópica, aunque también puede estar expresada en [dBd], que es la ganancia comparada con una antena dipolo de media longitud de onda. En este caso, se debe sumar 2,147 para pasar la ganancia de [dBd] a [dBi].La ganancia de una antena es la misma, tanto para recibir como para transmitir (Anguera and Pérez, 2008). 1.3.3 Coeficiente de Radiación Trasera Es la relación entre la ganancia de la antena en la dirección de máxima radiación y la ganancia de la antena en cualquier otra dirección comprendida entre 90 º y 270º de la dirección de máxima radiación (MIÑANA and VICENT, 2011).. Fig. 1.6. Representación del Coeficiente de Radiación Trasera 1.3.4 Impedancia del punto de alimentación La impedancia de una antena se define como la relación fasorial entre el voltaje y la corriente en sus terminales de entrada. Dicha impedancia es en general compleja. Desde el punto de vista circuital, la antena 100 % eficiente tiene entre sus terminales una impedancia, cuya parte real es la resistencia de radiación, y una componente imaginaria reactiva, que depende del campo cercano que dicha antena genera. Si el sistema de.

(27) CAPÍTULO 1. CARACTERIZACIÓN DE LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE Y LAS. 16. ANTENAS ACTIVAS EXTERIORES PARA LA RECEPCIÓN EN CUBA. radiación está bien diseñado, esta componente imaginaria debe ser despreciable con respecto a la parte real (Hernandez, 2011). (1.2) La resistencia de la antena se puede considerar como la suma de la resistencia de radiación y la resistencia de pérdidas. (. ). (1.3). 1.3.5 Razón de Onda Estacionaria (ROE) La razón de onda estacionaria es una medida de las reflexiones ocurridas en el sistema director de onda (línea de transmisión, guía de onda, etc.) acorde al grado de adaptación de impedancia de la antena con este. Mientras mayor sea el grado de adaptación, menor potencia será reflejada y, por lo tanto, mayor cantidad de ésta será irradiada o recibida por la antena. Un valor de ROE igual a uno implica que la antena está completamente adaptada y un 100% de la potencia está siendo aprovechada si se desprecian las pérdidas en calor. En la práctica, un nivel aceptable de adaptación de impedancia se logra en la mayoría de las aplicaciones con una ROE igual a 2, que equivale a que un 90% de la potencia recibida por la antena está siendo dirigida hacia el receptor. Por lo tanto, se debe tener un valor para la ROE menor o igual a 2 para considerar a las antenas de TV con un nivel aceptable de adaptación de impedancia. 1.3.6 Ancho de Banda El ancho de banda puede ser considerado como el rango de frecuencias, a ambos lados de una frecuencia central, donde las característica de radiación e impedancia de interés se encuentran a un valor aceptable de los de la frecuencia central (Balanis, 2016). Para el caso de las antenas para recepción de TV digital se considerará un ancho de banda aceptable la gama de frecuencia donde la ROE (Relación de Onda Estacionaria) está por debajo de 2.0 y donde la ganancia no disminuya por debajo de 3dBi con relación a la máxima. 1.4. Antenas Exteriores y Activas para la recepción de TDT.

(28) CAPÍTULO 1. CARACTERIZACIÓN DE LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE Y LAS. 17. ANTENAS ACTIVAS EXTERIORES PARA LA RECEPCIÓN EN CUBA. Son las antenas que típicamente se colocan en la fachada de las edificaciones, las cuales poseen un módulo activo incorporado, destinadas para recibir señales de TV Digital en los canales de VHF (canales del 7 al 13 en el país) y de UHF (canales del 14 al 52). Para la recepción satisfactoria de la televisión se requiere generalmente una antena exterior, para lograr la mejor relación señal ruido posible, que garantice una recepción correcta. Al tener incorporado un módulo activo o amplificador de RF su uso está orientado para los lugares críticos de muy poca cobertura alejados de los transmisores. Una antena para la recepción de la TV digital debe cumplir básicamente las siguientes características (MIÑANA and VICENT, 2011):  Tener una buena captación de la señal, sobre todo en zonas de señal débil.  Evitar la captación de señales reflejadas en edificios, montañas u otros obstáculos causantes de las dobles imágenes o imágenes fantasma.  Evitar también reflexiones de la señal en el propio sistema de radiación.  Tener la mínima afectación posible de interferencias.  Ser adecuada para el mayor número de canales posibles. Los tipos de antenas activas exteriores y módulos activos más utilizados para recepción de TDT se muestran en la Fig. 1.7 continuación, que son las más comunes utilizadas en la población a raíz del comienzo del despliegue de la TDT, que se ofrecen actualmente en las tiendas pertenecientes a la cadena de Tiendas Recaudadoras de Divisas, y las antenas introducidas al país por los colaboradores internacionalistas. Dentro del grupo de antenas más utilizadas se encuentran las Antenas Uda-Yagi..

(29) CAPÍTULO 1. CARACTERIZACIÓN DE LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE Y LAS. 18. ANTENAS ACTIVAS EXTERIORES PARA LA RECEPCIÓN EN CUBA. Fig. 1.7. Ejemplos típicos de antenas activas exteriores y amplificadores de RF para la recepción de TDT introducidos en el país 1.4.1 Antena Uda-Yagi Esta antena es la más utilizada para la recepción de señales de televisión desde los inicios de la misma, se puede decir que es la antena clásica en la recepción de las señales televisivas. La misma está constituida por varios elementos paralelos y coplanarios que suelen ser dipolos. Estos dipolos pueden actuar como elemento activo, directores o reflectores. Los elementos directores dirigen el campo eléctrico, los activos radian el campo y los reflectores lo reflejan. Los elementos no activos se denominan parásitos, la antena Uda-Yagi puede tener varios elementos activos y varios parásitos. Su ganancia está dada por: G = 10 log n (Donde n es el número de elementos). Para obtener una antena Uda-Yagi (Fig. 1.8) de banda ancha es necesario hacer ajustes en las distancia entre los elementos para obtener, junto con el ancho de banda deseado, la ganancia óptima (MIÑANA and VICENT, 2011)..

(30) CAPÍTULO 1. CARACTERIZACIÓN DE LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE Y LAS. 19. ANTENAS ACTIVAS EXTERIORES PARA LA RECEPCIÓN EN CUBA. Fig.1.8. Elementos físicos de la antena Uda-Yagi. 1.4.2 Método de diseño NBS para antenas Uda-Yagi El diseño de una antena Uda-Yagi prácticamente se resume en calcular las posiciones y las dimensiones de sus elementos de manera que las fases de las corrientes resultantes sean tales que la adición fasorial de los campos sea mínima hacia atrás y máxima hacia adelante. Eléctricamente, el costo de esta directividad es una disminución de la parte resistiva de la impedancia de la antena. Se compensa este inconveniente remplazando el dipolo alimentado por un dipolo doblado (Balanis, 2016). Existen diversos métodos de diseño de este tipo de antena que ofrecen resultados aceptables. Uno de los más utilizados es el método tabular conocido como método de la NBS (Nacional Bureau of Standard) ofrecido en el documento original Meter P Viezbiike, “Yagi Antenna Design”, NBS Technical Note 688, December 1976 (Viezbicke and Design, 1976). Nos da la posibilidad de llegar a soluciones de ingeniería de una forma relativamente rápida y confiable, por basarse en mediciones experimentales. Provee un procedimiento para determinar los parámetros geométricos de la antena Uda-Yagi para una ganancia directiva determinada (sobre un dipolo de media longitud de onda). El método de diseño ofrecido en el documento se incluye en los siguientes datos y señalados en el Anexo I:  En la Tabla 1 del documento NBS que representa los parámetros de antenas optimizadas para seis ganancias diferentes y para el diámetro en longitudes de onda de d/λ = 0.0085 en frecuencia de 400 MHz..

(31) CAPÍTULO 1. CARACTERIZACIÓN DE LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE Y LAS. 20. ANTENAS ACTIVAS EXTERIORES PARA LA RECEPCIÓN EN CUBA.  La Fig. 9 del documento NBS representa las longitudes no compensadas de los directores y el reflector para 0,001 ≤ 2a/ λ ≤ 0,04.  La Fig. 10 del documento NBS suministra el incremento de longitud compensada para todos los elementos parásitos (directores y reflector) como una función del diámetro del boom (0,001 ≤ 2aboom/ λ ≤ 0,04) La información de entrada necesaria es:  Ganancia directiva.  Frecuencia central.  Diámetro de los elementos parásitos.  Diámetro del boom.. 1.4.3 Propuesta de antenas Uda-Yagi exteriores para TDT Debido a su relativa baja complejidad de diseño y fabricación se toman las antenas Uda-Yagi como antena exterior a las cuales posteriormente se les incorpora un módulo activo para brindar mayor capacidad de recepción en las bandas de trabajo. Para limitar su longitud y fácil transportación hasta el sitio de prueba se tienen en cuenta que deben ser antenas de relativa baja y media ganancia similares a las más utilizada por la población. Para este caso se propone la antena Uda-Yagi de 3 elementos para los canales comprendidos en la banda de VHF y la antena Uda-Yagi de 5 elementos para los de UHF. Se considera que la antena de UHF debe tener una ganancia adicional en relación con la de VHF debido a que las pérdidas en el medio son mayores en UHF (Balanis, 2016).. Fig.1.9. Antenas Uda-Yagi para VHF y UHF 1.5. Módulos activos de RF para TDT.

(32) CAPÍTULO 1. CARACTERIZACIÓN DE LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE Y LAS. 21. ANTENAS ACTIVAS EXTERIORES PARA LA RECEPCIÓN EN CUBA. Los Módulos activos de antenas exteriores son amplificadores de bajo ruido que forman parte del sistema de recepción de señal de RF. Estos están ubicados después de la antena receptora y su función es elevar el nivel de señal útil recibida, con la característica principal de tener la menor cifra de ruido posible. Los parámetros fundamentales de los amplificadores son:  Ganancia.  Cifra de ruido.  Eficiencia.  Ancho de banda. 1.5.1 Características fundamentales de los amplificadores de RF En. general,. los. amplificadores. presentan. características. que. describen. su. funcionamiento y limitaciones en una banda de frecuencia. Las características de los amplificadores pueden ser descritas en función de múltiples parámetros, y dependiendo de su aplicación. Las características de los amplificadores de bajo ruido (LNA) se mencionan a continuación (JIMÉNEZ, 2001).  Ganancia, que está definida por la potencia de salida y de entrada del sistema. (1.4)  Cifra de ruido, que define la relación señal a ruido del amplificador.  Eficiencia, la cual está definida por: (1.5) Donde. es la potencia del amplificador en corriente directa..  Ancho de banda, definido por: (1.6) Donde: es el límite en frecuencia más alto de operación. es el límite en frecuencia más bajo de operación..

(33) CAPÍTULO 1. CARACTERIZACIÓN DE LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE Y LAS. 22. ANTENAS ACTIVAS EXTERIORES PARA LA RECEPCIÓN EN CUBA. 1.5.2 Módulos activos con tecnología MMIC Los amplificadores Microwave Monolithic Integrated Circuits o Amplificadores monolíticos (MMIC) se caracterizan por un gran ancho de banda, que algunos pueden llegar hasta 8 GHz o aún superior, y una ganancia aproximadamente constante a lo largo de todo el rango de frecuencias. A esto se añade una gran estabilidad y simplicidad circuital (Collantes and Vicente, 2012). En la Figura 1.10 se puede ver el encapsulado de estos dispositivos, que tienen un tamaño muy pequeño, aproximadamente de dos milímetros de diámetro. En este caso se muestra el MAR-6 con su circuito equivalente.. Fig. 1.10. Modelo MMIC del tipo MAR-6, (a) componente real y (b) circuito equivalente Se podrían resumir los beneficios y mejoras de la cifra de ruido con las siguientes especificaciones típicas de este tipo de circuitos integrados:  Mayor linealidad y bajo ruido  La integración del circuito de corriente, el cual simplifica el diseño de la red de acoplamiento.  Realimentación interna, la cual facilita la adaptación de impedancias a lo largo de un ancho de banda mayor.  Estabilidad incondicional a lo largo de un mayor rango de frecuencias  Gran ancho de banda Mediante el uso de soluciones MMIC a la medida se pueden mejorar las características del sistema, así como la funcionalidad y fiabilidad. Además se reduce el número de.

(34) CAPÍTULO 1. CARACTERIZACIÓN DE LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE Y LAS. 23. ANTENAS ACTIVAS EXTERIORES PARA LA RECEPCIÓN EN CUBA. componentes, el tamaño del circuito, peso y consumo de potencia, así como los tiempos de ensamblado (PÉREZ, 2012). 1.6. Filtros analógicos para bandas de Televisión Con el objetivo de eliminar interferencias producidas por la existencia de diversos. servicios que se encuentran en bandas próximas a las recibidas o ante una futura implementación de la telefonía 4G en la banda de 800 MHz se introdujeron filtros analógicos, esta técnica de mitigación de interferencia reduce las emisiones fuera de banda mejorando el desempeño de los respectivos sistemas de transmisión y de recepción (Brasil, 2013). La función de un filtro analógico consiste en alterar una señal de entrada para obtener de ella las propiedades que son aprovechables en ciertas condiciones, amortiguando o eliminando las propiedades que queremos ignorar. La función más habitual consiste en seleccionar un conjunto determinado de frecuencias de una señal para amplificarlas, atenuando el conjunto excluido, siendo de especial utilidad en el mundo del audio y las comunicaciones. El principio de funcionamiento de un filtro pasivo se basa en que la impedancia de algunos elementos es variable con la frecuencia, de manera que cuando se disponen de la manera apropiada algunas frecuencias permanecen inalteradas, mientras que otras sufren distintos grados de atenuación. En última instancia, son divisores de tensión selectivos en frecuencia. Los elementos de impedancia variable son el condensador (C) y la bobina (L) (Gamboa-Gil-de-Sola, 2012). Las redes adaptadoras de impedancia y filtro analógico junto con el elemento activo amplificador MMIC representa como tal el módulo activo incorporado a la antena exterior. 1.6.1 Función de transferencia. Expresando esto en forma matemática, se define la función de transferencia como el cociente entre la señal de salida y la de entrada de un circuito, y la cual refleja exactamente el comportamiento del mismo. Se opera en el marco del plano complejo en el cual la parte puramente resistiva se localiza en el eje real y la parte puramente reactiva se localiza el eje imaginario. De esta manera, dado que los cambios en frecuencia se sitúan exclusivamente.

(35) CAPÍTULO 1. CARACTERIZACIÓN DE LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE Y LAS. 24. ANTENAS ACTIVAS EXTERIORES PARA LA RECEPCIÓN EN CUBA. en el eje imaginario (reactancias), se suele expresar la frecuencia en forma de jw. Por tanto, con elementos dependientes de la frecuencia tales como condensadores y bobinas, una función de transferencia H se escribe con la notación H (jw). La forma más natural de representar las funciones de transferencia y estimar rápidamente su comportamiento es el uso de las gráficas, en las que se ilustra la evolución de dicha función de transferencia a lo largo de todo el espectro de frecuencias. En el eje de ordenadas se representa el valor numérico de la función de transferencia, mientras que en el eje de coordenadas se representan las frecuencias (Gamboa-Gil-de-Sola, 2012). ( ). ( ) (. (1.7). ( ). ). | (. )|. ( ). (1.8). 1.6.2 Respuesta en Frecuencia. Hay varios tipos de filtros en base a su respuesta en frecuencia (Hayt et al., 2007), se pueden caracterizar por su función de transferencia H (jw) como:  Filtro Pasa bajas. Permite el paso de frecuencias debajo de una frecuencia de corte mientras que amortigua de manera significativa las frecuencias por arriba de dicho corte.  Filtro Pasa altas. Contrario a un filtro Pasa bajas, permite el paso de frecuencias por arriba de una frecuencia de corte mientras que amortigua de manera significativa las frecuencias por debajo de dicho corte.  Filtro Pasa bandas. Es el que desarrollaremos en este trabajo. Se obtiene por la combinación de un filtro pasa bajas y un filtro pasa altas, la región entre las dos frecuencias de corte se conoce como pasa bandas. Tiene una función característica ideal que se muestra por la curva en la Fig. 1.11.. Fig. 1.11. Característica ideal y real de un filtro pasa banda.

(36) CAPÍTULO 1. CARACTERIZACIÓN DE LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE Y LAS. 25. ANTENAS ACTIVAS EXTERIORES PARA LA RECEPCIÓN EN CUBA.  Filtro Rechaza bandas. Al combinar un filtro pasa bajas y un filtro pasa altas, a la región fuera de la banda de paso se conoce como rechaza banda, que deja pasar frecuencias tanto altas como bajas, pero atenúa cualquier señal que tenga una frecuencia entre las dos frecuencias de corte. En lo relativo a las frecuencias, existen las frecuencias de corte, que delimitan la banda pasante, y las frecuencias atenuadas, que delimitan la banda no pasante. Cuanta menor sea la banda de transición, mayor será el nivel de exigencia. Asimismo, cuando se minimiza la atenuación en la banda pasante (Amax) y se maximiza en la banda no pasante (Amin), el filtro se aproxima más al ideal y, por tanto, tiene un orden mayor. 1.6.3 Orden de un Filtro. El orden de un filtro describe el grado de aceptación o rechazo de frecuencias por arriba o por debajo, de la respectiva frecuencia de corte. Un ejemplo es un filtro de orden 2, que se caracteriza porque en el denominador hay un polinomio de orden 2. Para realizar filtros analógicos de órdenes más altos se suele realizar una conexión en serie de filtros de primer o segundo orden debido a que a mayor orden el filtro se hace más complejo. Sin embargo, en el caso de filtros digitales es habitual obtener órdenes superiores a 100. El orden viene dado por el número de polos (o número de raíces en el denominador); y el número de ceros (número de raíces en el numerador) es siempre igual o inferior al número de polos. Además, para asegurar la estabilidad del sistema, los polos se sitúan siempre en el semiplano real negativo, a la izquierda del eje imaginario, y para los problemas de frecuencia selectiva que se estudian los ceros son pares imaginarios puros. Para esto, es necesario que todos los coeficientes de la función de transferencia sean positivos (Ver Anexo II). 1.6.4 Tipos de filtros según su función de aproximación De acuerdo con este principio, podemos distinguir los tres tipos de filtros más básicos y empleados con mayor frecuencia:  Butterworth: se obtiene al imponer que la respuesta en magnitud del filtro sea máximamente plana en la banda pasante y en la banda no pasante. Su función de.

(37) CAPÍTULO 1. CARACTERIZACIÓN DE LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE Y LAS. 26. ANTENAS ACTIVAS EXTERIORES PARA LA RECEPCIÓN EN CUBA. transferencia sólo contiene polos. Se tomará en consideración para su utilización en las bandas de TDT.  Chebyshev: se obtiene una pendiente más abrupta en la banda de transición que en un filtro de tipo Butterworth, a costa de permitir cierto rizado en alguna de sus bandas.  Cauer (elíptico): se obtiene una banda de transición muy estrecha a costa de permitir rizado en las bandas pasante y no pasante. Su función de transferencia contiene polos y ceros, y permite filtros de orden inferior a los anteriores ante un conjunto determinado de especificaciones. 1.7. Conclusiones del capítulo En el presente capítulo quedaron expuestos los principales parámetros y características. de la TDT en cuanto a la calidad y sus principales ventajas. Además, se definieron los principales parámetros de las antenas, principalmente las características de las antenas exteriores. Se eligió dos modelos típicos de antenas exteriores como propuestas de diseño. Y se propuso la utilización de módulos activos con redes de filtrado analógico..

(38) CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN DE ANTENAS EXTERIORES Y MÓDULO ACTIVO. CAPÍTULO 2.. 27. DISEÑO Y SIMULACIÓN DE ANTENAS. EXTERIORES Y MÓDULOS ACTIVOS. En este capítulo se realiza una breve descripción de las herramientas de software especializadas en las altas frecuencias. Se realizará el diseño de dos antenas exteriores propuestas. Se realizará la simulación por software de las mismas y el análisis de los parámetros radioeléctricos fundamentales. También se realiza el diseño de amplificadores con tecnología MMIC para señales de TDT. Se realizará, además, el cálculo y simulación por software de los mismos con el objetivo de analizar el comportamiento en cada banda de trabajo. Por último, se proponen algunas características constructivas para su posterior fabricación. 2.1. Selección y descripción de los softwares a utilizar Para el modelado y simulación para el diseño de las antenas de TDT se utilizaron. software como el CST Microwave Studio 2015 y, por otro lado, para el diseño de amplificadores de RF, se tuvo en cuenta el AWR Microwave Office 2013. Ambas son herramientas que estimulan al desarrollo en tecnologías en las bandas de UHF y SHF con una gran variedad de opciones. 2.1.1 CST Microwave Studio El programa de simulación CST Studio Suite 2015 es una herramienta especializada para la simulación electromagnética en tres dimensiones (3D) basado en el método de las diferencias finitas (Roldán Escolano, 2011). Es un programa de pago de la empresa CST (Computer Simulation Technology), que se dedica a proporcionar software para el diseño electromagnético en todas las bandas de frecuencia. Algunas aplicaciones típicas incluyen dispositivos de RF y microondas para comunicaciones móviles inalámbricas. Es un.

(39) CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN DE ANTENAS EXTERIORES Y MÓDULO ACTIVO. 28. programa muy completo con multitud de opciones de configuración, ajuste y presentación de resultados, que permiten obtener una visión del comportamiento de los diseños electromagnéticos. Dispone de una interfaz gráfica muy potente, que permite generar todo tipo de superficies y volúmenes, pudiéndose combinar de forma booleana para generar nuevas formas según convenga. La complejidad que entraña el uso de este programa ha implicado el estudio minucioso de tutoriales y guías de uso para comprender los fundamentos de la generación de estructuras y el funcionamiento de los motores de simulación. A la hora de diseñar se definen las unidades en las que trabajamos, MHz para la frecuencia, así como mm para las dimensiones físicas. El material que formael diseño se puede escoger entre un conductor eléctrico perfecto (PEC) y un material normal con su permitividad y sus pérdidas (VIERA, 2007). Otro aspecto importante es elegir el rango de frecuencias con el que se trabaja. El programa dispone de 5 módulos de cálculo (Hacker):  Transient Solver  Eigen Mode Solver  Frequency Domain Solver  Resonant: Fast S-Parameter solver  Resonant: S-Parameter Fields solver El módulo Transient Solver ha sido el utilizado en las simulaciones efectuadas. Transient Solver es un simulador electromagnético en 3D de propósito general que proporciona la propagación del campo bajo estudio en el dominio del tiempo. Es la herramienta más flexible del programa y permite simular la mayoría de problemas electromagnéticos. Una vez elegido el simulador Transient Solver, se pueden definir 2 tipos de puertos:  Waveguide Port.  Discrete Port..

(40) CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN DE ANTENAS EXTERIORES Y MÓDULO ACTIVO. 29. A la hora de realizar las simulaciones de nuestra antena, se ha optado por utilizar Discrete Port con el fin de intentar reducir todo lo posible el tiempo computacional de las simulaciones (VIERA, 2007). Con la utilización del software se encontrarán los parámetros como son el patrón de radiación, la impedancia de entrada compleja, la razón de onda estacionaria (ROE), la ganancia directiva, el coeficiente de radiación trasera, el ángulo de elevación, la polarización, entre otros, variando las características físicas de la antena, y se obtendrá un método de diseño para los conjuntos de antenas utilizadas, según los resultados obtenidos. 2.1.2 Microwave Office Reconocido por su interfaz de usuario intuitiva, la arquitectura única de software AWR Microwave Office integra potentes herramientas y tecnologías con otras específicas de la aplicación de las compañías asociadas innovadoras de la Empresa AWR para llevar sus diseños fácilmente. Pretende desde el que corresponde a la captura (esquemático y el diseño) hasta el equilibrio armónico y simulación en el dominio del tiempo para la síntesis, la optimización, la extracción y verificación de estructuras electromagnéticas. El software Microwave Office representa el futuro del diseño para las frecuencias más altas utilizadas actualmente (Instruments, 2016). El programa Microwave Office es una herramienta de software que permite simular y optimizar la respuesta de un circuito con tecnología planar, microcinta, entre otros. Los parámetros físicos del circuito son definidos a priori por el usuario mediante un “esquemático” (Circuit Schematics): en él se define el tipo de sustrato a emplear y las dimensiones físicas del diseño, tales como longitudes, anchuras y grosores de las líneas, así como la forma global del circuito o la disposición de las interconexiones entre los distintos componentes. Usa técnicas orientadas a objetos para resolver los circuitos. Permite obtener soluciones en tiempo real, como la sintonización de elementos circuitales. Además, consta de una herramienta de optimización y análisis de campos. Se utiliza fundamentalmente en las siguientes aplicaciones:  Circuitos integrados de microondas (MIC)  Amplificadores de pequeña señal de RF.

(41) CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN DE ANTENAS EXTERIORES Y MÓDULO ACTIVO. 30.  Amplificadores Monolíticos (MMIC)  Placas de Circuito Impreso (PCB)  Conjuntos integrados de microondas. 2.2. Criterios de diseño de antenas Uda-Yagi para TDT Teniendo en cuenta al buen desempeño de la antena Uda-Yagi en banda estrecha se. tomó como criterio fundamental realizar diferentes tipos de antenas con características radioeléctricas y físicas destinadas a cubrir parte de la banda de VHF y UHF. Por tal motivo se diseñó una antena por cada rango comprendido: una para el canal 13 y otra para los canales del 14 al 34 donde se encuentran la mayoría de los canales digitales de la provincia de Villa Clara donde se encuentran las zonas de pruebas de cobertura seleccionadas para la validez de los prototipos. 2.2.1 Diseño teórico de antena Uda-Yagi En primer lugar, se realiza el diseño inicial de una antena Uda-Yagi de 3 elementos con una ganancia directiva de 7,1dBd (sobre un dipolo de media longitud de onda) a 213MHz que es la frecuencia central del canal 13. El diámetro deseado de los elementos es de 10mm y el del boom 21mm, que es el diámetro equivalente del tubo cuadrado de 18x18mm según la ecuación mostrada en la Tabla 9.3 del libro “Antenna Theory, Analysis and Design” de Constantine A. Balanis, tercera edición. Se ha determinado la cantidad de elementos, el espaciamiento entre ellos, longitudes de los mismos y total del conjunto. El cálculo para la antena de 3 elementos del canal 13, según la tabla 1 y las Figuras 9 y 10 del documento de la NBS mostrado en el Anexo I, se realiza a continuación: 1.. = 213 MHz, λ = 300/213 = 1.41 m. Así. ⁄ = 0.01/1.41 = 0.007 y. /λ =. 0.021/1.41 = 0.015. 2. Según la Tabla 1, la antena para un diámetro. ⁄ = 0.0085 la longitud del. director L1=0.442λ, la longitud del reflector Lr=0.482 y la longitud total de la antena sería de 0.2λ+0.2λ=0.4λ=563 mm. 3. Debido a que. ⁄ = 0.007, se requiere el cálculo de las longitudes optimas de. los elementos parásitos para el diámetro de la varilla a disposición compensando las longitudes a través de la Figura 9 donde Lr=0.484λ y L1=0.447λ..