Diseño e implementación del hardware de un sistema de medición a bordo de una aeronave para la determinación de las características de radiación de una antena transmisora en tierra

Texto completo

(1)Facultad de Ingeniería Eléctrica DEPARTAMENTO DE TELECOMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA. TRABAJO DE DIPLOMA Diseño e implementación del hardware de un sistema de medición a bordo de una aeronave para la determinación de las características de radiación de una antena transmisora en tierra. Autor: Osvel Hernández Ruiz. Tutor: Ing. Roberto Hiribarne Guedes. Santa Clara 2007 "Año 49 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica DEPARTAMENTO DE TELECOMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA. TRABAJO DE DIPLOMA Diseño e implementación del hardware de un sistema de medición a bordo de una aeronave para la determinación de las características de radiación de una antena transmisora en tierra Autor: Osvel Hernández Ruiz [email protected]. Tutor: Ing. Roberto Hiribarne Guedes [email protected]. Santa Clara 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 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. “El mejor indicio de la sabiduría es la concordancia entre las palabras y las obras.” Confucios.

(5) ii. DEDICATORIA. Especialmente a mis padres por dedicarme su vida.. A mi hermano por su cariño. A mi esposa por tanta paciencia, comprensión y por ser la luz de mi vida. A toda mi familia, por su apoyo incondicional.. A mis amigos de verdad, los que están cerca, lejos o ya no están.

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. Agradezco de forma especial a mi madre Caridad Mercedes, mi padre Ángel Oscar, mi hermano Orisbel y mi esposa Alena, por su paciencia y comprensión, que hicieron posible la realización de este trabajo, sin olvidar a mis amigos Yobisley Bernal y Roberto Díaz que con su apoyo e incondicionalidad me han ayudado siempre, a mi tutor Roberto Hiribarne, por el tiempo dedicado al trabajo. A mis profesores y compañeros de clases, por las experiencias vividas y todo lo que aprendimos juntos. A todo el que de una forma u otra ha contribuido al desarrollo de este trabajo, lleguen mis más sinceros agradecimientos.. A todos Gracias..

(7) iv. TAREAS TÉCNICAS. Para alcanzar los objetivos planteados en este Trabajo de Diploma se llevaron a cabo las siguientes tareas técnicas: ¾ Realización del estudio del estado del arte de los sistemas de medición de antenas. ¾ Selección de una alternativa de implementación viable. ¾ Implementación del mecanismo de recepción. ¾ Implementación de la interfaz del sistema de recepción a una computadora personal. ¾ Implementación de la interfaz de un sistema de procesamiento global a la computadora personal. ¾ Realización y puesta en marcha del sistema de medición. ¾ Evaluación de los resultados. ¾ Redacción de un informe final. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) v. RESUMEN. Este trabajo consiste en la realización de un sistema de adquisición de señales radioeléctricas a bordo de un helicóptero para la medición y visualización de los patrones de radiación de una antena. Tiene como objetivo principal caracterizar y evaluar antenas transmisoras situadas en tierra de la forma más exacta posible y con ésta operando en su ubicación definitiva. La realización del mismo es de gran importancia como tarea de la defensa nacional en la lucha radioelectrónica para combatir la invasión del espacio radioeléctrico. Primeramente se realizó un diseño de cada una de las partes del sistema de medición, para poder lograr el objetivo final. Luego se seleccionaron equipos ya utilizados anteriormente en otras aplicaciones y que se podían reutilizar en la implementación de ésta, la cual resultó ser lo más económica posible, con equipamiento de la calidad y precisión necesaria y de poco peso. En su implementación se utiliza una antena de lazo y un transceptor Yaesu 600, cuya operación es relativamente sencilla, es lo suficientemente ligero para la aplicación y constituye una alternativa económica ante la variante de utilizar un analizador de espectro. Se utilizaron además otros aditamentos poco costosos como el convertidor análogo – digital MAX 176 y una computadora personal. Las funciones de posicionamiento y localización se logran mediante un GPS Garmin 155XL..

(9) vi TABLA DE CONTENIDOS PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii TAREA TÉCNICA ................................................................................................................iv RESUMEN ............................................................................................................................. v INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 Organización del informe ................................................................................................... 2 CAPÍTULO 1. 1.1. 1.2. Regulaciones para la radiodifusión ...................................................................... 4 1.1.1. Las bandas de frecuencias y su utilización ............................................. 5. 1.1.2. Sistemas de radiodifusión ....................................................................... 6. Las antenas y sus características .......................................................................... 9 1.2.1. 1.3. La radiodifusión y la evaluación de estos sistemas .................................... 4. Características de las antenas ................................................................ 10. La antena helicoidal ........................................................................................... 11 1.3.1 Modos de radiación de la antena helicoidal .............................................. 12. 1.4. Sistema de medición de antenas......................................................................... 13. 1.5. Conclusiones del capítulo .................................................................................. 18. CAPÍTULO 2. 2.1. Diseño del sistema de medición................................................................ 19. Esquema general del sistema de medición ......................................................... 19.

(10) vii 2.2. La antena receptora ............................................................................................ 20 2.2.1 Función de la antena receptora.................................................................. 20 2.2.2 Rango de frecuencia .................................................................................. 20 2.2.3 Características de radiación ...................................................................... 21. 2.3. El receptor de radiofrecuencia ........................................................................... 22 2.3.2 Modo de recepción .................................................................................... 23 2.3.3 Parámetros del receptor ............................................................................. 24 2.3.4 El receptor superheterodino ...................................................................... 26. 2.4. El convertidor análogo digital ............................................................................ 29 2.4.1 Señal analógica versus señal digital .......................................................... 30 2.4.2 Tipos de convertidores .............................................................................. 32. 2.5. La computadora.................................................................................................. 33 2.5.1 Generalidades de la computadora ............................................................. 33 2.5.2 Puertos de entrada y salida ........................................................................ 34 2.5.3 Características eléctricas de los circuitos. ................................................. 38. 2.6. 2.7. El sistema de posicionamiento global ................................................................ 39 2.6.1. Funcionamiento de los sistemas de posicionamiento global ................ 39. 2.6.2. Puertos de entrada y salida.................................................................... 40. 2.6.3. Protocolo de los datos ........................................................................... 41. Conclusiones del capítulo .................................................................................. 42.

(11) viii CAPÍTULO 3.. Implementación del sistema de medición. ................................................ 43. 3.1. Composición del sistema de medición ............................................................... 43. 3.2. La antena de Lazo. ............................................................................................. 44. 3.3. El radio transceptor Yaesu 600 ......................................................................... 47 3.3.1. 3.4. Características generales del radio transceptor ..................................... 48. El convertidor análogo digital ............................................................................ 50 3.4.1 Características del convertidor Max 176 .................................................. 50 3.4.2. Características del Kit de evaluación Max 176 .................................... 50. 3.5. La computadora personal ................................................................................... 52. 3.6. El GPS Garmin 155XL ...................................................................................... 53 3.6.1. Características del GPS Garmin 155XL ............................................... 53. 3.6.2 Entrega de los datos .................................................................................. 54 3.7. Análisis económico ............................................................................................ 54. 3.8. Conclusiones del capítulo .................................................................................. 54. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 55 Conclusiones ..................................................................................................................... 55 Recomendaciones ............................................................................................................. 56 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 57 ANEXOS .............................................................................................................................. 61 Anexo I. Hoja de datos del convertidor Max 176 ........................................................ 61.

(12) ix Anexo II. Hoja de datos del Kit de evaluación Max 176 .............................................. 63.

(13) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. En la actualidad la utilización del espectro radioeléctrico para la transmisión de información de todo tipo cobra una fuerza cada vez mayor, evolucionando desde los antiguos sistemas de enlace monocanales hasta los actuales sistemas que incluyen la transmisión de señales de TV, de telefonía, el flujo de datos e Internet. La expansión de estos sistemas está estrechamente ligada al aumento de la complejidad de las antenas que se utilizan, lo que presupone una creciente necesidad de contar con sistemas que permitan el estudio de las características de radiación de las mismas bajo las diferentes condiciones de trabajo. En este trabajo se pretende realizar el diseño e implementación del hardware de un sistema de medición a bordo de una aeronave para la determinación de las características de radiación de una antena helicoidal transmisora en tierra. Hasta el presente se ha realizado este tipo de trabajo por diferentes instituciones, mayormente utilizando un helicóptero como medio de desplazamiento y con el objetivo principal de caracterizar antenas de radiodifusión y de televisión. También existen sistemas de medición de antenas de mucha precisión pero que solamente se limitan a mediciones en laboratorios. Por lo que uno de los retos de este trabajo es lograr un sistema de medición que, por su costo, características de peso y movilidad, permita su utilización en la determinación de las características de radiación de antenas desde aeronaves en pleno vuelo. Este trabajo tiene una aplicación específica y de gran importancia en la lucha radioelectrónica que mantiene actualmente nuestro país contra la propaganda radial ilegal que se emite a diario en contra de la Revolución Cubana y de nuestro pueblo..

(14) INTRODUCCIÓN. 2. La implementación inmediata de este sistema no posee ningún carácter comercializable, pero puede extenderse a otras ramas o instituciones interesadas en este tipo de solución, como la caracterización de antenas de difusión de radio y de televisión implantadas en el territorio. Objetivo : Diseñar el Hardware de un Sistema de Medición que permita determinar las características de radiación de una antena trasmisora en tierra. Objetivos Específicos: 1. Lograr la recepción de la señal de radiofrecuencia. 2. Lograr la interfaz del sistema de recepción a la PC. 3. Lograr la interfaz del GPS a la PC. 4. Realizar el montaje y puesta en marcha del Sistema de Adquisición de Datos. Hipótesis de investigación: El sistema de medición que se implementará permitirá la adquisición de señales emitidas desde una antena helicoidal, siendo fácil de manipular y utilizar.. Organización del informe: El trabajo consta de tres capítulos. El primero se denomina “La Radiodifusión y la evaluación de estos sistemas” y se dedica a explicar los conceptos básicos sobre radiodifusión, las regulaciones que rigen la tenencia, uso y explotación de equipos de radiodifusión, las características de las antenas y en especial la antena helicoidal. También se hace un análisis de los sistemas de medición que pueden utilizarse en aplicaciones de este tipo. El segundo capítulo se titula “Diseño del sistema de medición” donde se hace un análisis del diagrama en bloques del sistema de medición diseñado, haciendo énfasis en las diferencias con otros sistemas existentes y en las funciones y características de cada bloque. El tercer capítulo se denomina “Implementación del sistema de medición” y se dedica a realizar una caracterización de los elementos que forman parte del sistema de medición ya.

(15) INTRODUCCIÓN. 3. creado, incluyendo además las características de las interfaces de comunicación del convertidor análogo digital y del GPS con la computadora..

(16) CAPÍTULO 1. La radiodifusión y la evaluación de estos sistemas .. CAPÍTULO 1.. 4. La radiodifusión y la evaluación de estos sistemas. En este Capítulo se pretende explicar los conceptos generales de cómo funciona un sistema de radiodifusión, así como las principales regulaciones que rigen su uso. Se presenta una descripción de los métodos utilizados para medir la calidad de un sistema de radiodifusión y los sistemas más sobresalientes reflejados en la literatura.. 1.1. Regulaciones para la radiodifusión. La radiodifusión (en inglés broadcasting) es la producción y difusión de señales radioeléctricas de audio y/o video a través de ondas o cable destinadas al público en general, o bien a un sector del mismo (Wikipedia, 2006). La Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) es el organismo especializado de las Naciones Unidas encargado de regular las telecomunicaciones y dentro de ellas la radiodifusión, a nivel internacional, entre las distintas administraciones y empresas operadoras. Aunque las regulaciones de la UIT no son de carácter estrictamente obligatorio y pueden ser adecuadas para el contexto de cada región o país en particular, las mismas se recogen en un amplio conjunto de documentos llamados recomendaciones y que se agrupan por series según el tema. Entre las funciones de la UIT está la de regular la utilización del espectro radioeléctrico1.. 1. El espectro radioeléctrico es un recurso natural, de carácter limitado, que constituye un bien de dominio público, sobre el cual el Estado ejerce su soberanía, elaborando y estableciendo la política de su utilización, ejecutando su planificación, reglamentación, administración y control..

(17) CAPÍTULO 1. La radiodifusión y la evaluación de estos sistemas .. 1.1.1. 5. Las bandas de frecuencias y su utilización. El espectro radioeléctrico se divide en bandas, denominadas bandas de frecuencia. Las bandas de frecuencia definen que tipos de enlaces o servicios se pueden desarrollar en cada una de ellas. Las bandas se clasifican en métricas, centimétricas y milimétricas, aunque también se conoce según frecuencia de oscilación, como se muestra en la Tabla 1. Tabla 1 Bandas de frecuencias Banda. ELF. Denominación. Extremely Low. Frec.. Frec.. λ. λ. mínima. máxima. máxima. mínima. -. 3 KHz. -. 100km. 3 KHz.. 30 KHz. 100 km. 10K m. Frquency VLF. Very Low Frquency. LF. Low Frquency. 30 KHz. 300 KHz. 10 Km. 1K m. MF. Medium. 300 KHz. 3 MHz. 1 Km. 100 m. Frquency HF. High Frquency. 3 MHz. 30 MHz. 100 m. 10 m. VHF. Very High. 30 MHz. 300 MHz. 10 m. 1m. 300 MHz. 3 GHz. 1m. 10 cm. 3 GHz. 30 GHz. 10 cm. 1 cm. 30 GHz. -. 1 cm. -. Frequency UHF. Ultra High Frequency. SHF. Super High Frequency. EHF. Extremely High Frequency.

(18) CAPÍTULO 1. La radiodifusión y la evaluación de estos sistemas .. 6. Estas bandas tienen un uso específico según la frecuencia, la VLF (muy bajas frecuencias en su traducción al español) es una banda que puede ser utilizada a toda hora del día con el fin de mantener la radionavegación y el servicio móvil marítimo. La LF (bajas frecuencias en su traducción al español) puede ser utilizada durante todo el día como frecuencia patrón, puede alcanzar más de 1000 [Km] sobre el agua. La MF (frecuencias medias en su traducción al español) se puede utilizar todo el día para la radiodifusión, con un alcance de 100 [Km] o menos, en distancias cortas y de noche en distancias largas, más de 500 [Km] sujeto a desvanecimiento. La banda de HF (altas frecuencias en su traducción al español) es utilizada para la radiodifusión, servicios fijos y servicios móviles en diferentes horarios del día según la aplicación dada. La banda de VHF (muy altas frecuencias en su traducción al español) se utiliza en los servicios móviles, radiodifusión sonora y de televisión, radionavegación y servicios fijos, a todas horas. La UHF (ultra altas frecuencias en su traducción al español) es utilizada en los servicios fijos (radio enlaces), servicios móviles, radiodifusión de televisión, radiolocalización y servicios fijos. La SHF (súper altas frecuencias en su traducción al español) se utiliza en servicios fijos (radio enlaces terrenales), telecomunicación y radiodifusión por satélite y en la radionavegación. Estas son algunas de las aplicaciones y usos de las bandas de frecuencias. 1.1.2. Sistemas de radiodifusión. Los sistemas de radiocomunicaciones se han desarrollado vertiginosamente en los últimos años, lo que ha generado una mayor preocupación por conocer de mejor forma los fenómenos de propagación de señales electromagnéticas tanto en espacios libres como confinados. Esto ha motivado que los temas de propagación electromagnética que por espacio de un buen tiempo no habían sido de interés para el mundo académico y laboral, estén siendo nuevamente considerados con gran interés. En la radiodifusión una estación base emite su señal de radiofrecuencia a través del aire y los receptores de televisión o radio recogen dicha señal casi simultáneamente. En este caso se pone de manifiesto la necesidad de que tanto emisores como receptores dispongan de un medio de transmisión común y compartido. Los sistemas más elementales de radiodifusión están compuestos por un sistema transmisor y un sistema receptor como el mostrado en la Figura 1.1..

(19) CAPÍTULO 1. La radiodifusión y la evaluación de estos sistemas .. 7. Figura 1.1 Sistema de radiodifusión. Para la realización de una radiocomunicación tanto en este sistema tan elemental como en los más complejos existen parámetros a tener en cuenta tanto a la hora de transmitir como a la hora de recibir la señal (Hernandos Rabanos, 2002). La emisión de señales radioeléctricas se describe mediante los siguientes conceptos: 1. Clase de emisión: se denomina clase de emisión a las características de una emisión como son: tipo de modulación de la portadora principal, la naturaleza de la señal moduladora y el tipo de información que transmite. La clase de emisión se designa mediante un conjunto de símbolos normalizados. 2. Anchura de banda necesaria y ocupada: se denomina la anchura de banda para una clase de emisión determinada, como la anchura de la banda de frecuencias estrictamente suficiente para asegurar la transmisión de la información a la velocidad de transmisión y con la calidad requerida en condiciones específicas. Se define la anchura de la banda ocupada como la anchura de la banda de frecuencias tal que por debajo de su frecuencia límite inferior y por encima de su frecuencia de límite superior, se emitan potencias medias iguales cada una a un porcentaje especificado β/2 de la potencia media total de la emisión. 3. Tolerancia de frecuencia de una emisión: es la desviación máxima admisible entre la frecuencia asignada y la situada en el centro de la banda de frecuencias ocupada por la emisión..

(20) CAPÍTULO 1. La radiodifusión y la evaluación de estos sistemas .. 8. 4. Emisiones no deseadas: son emisiones que se producen en un equipo como consecuencia de imperfecciones del mismo. Estas pueden controlarse pero no suprimirse. 5. Potencia: la potencia de un transmisor radioeléctrico se especifica según la clase de emisión de la forma siguiente: •. Potencia de cresta, es la media de la potencia suministrada por el transmisor a la antena en condiciones normales de funcionamiento, durante un ciclo de radiofrecuencia tomado en el valor más alto de la envolvente de modulación.. •. Potencia media, es el valor medio de la potencia suministrada en las condiciones anteriores, evaluada durante un intervalo de tiempo lo suficientemente largo en comparación con el período correspondiente a la frecuencia más baja de la señal moduladora.. •. Potencia de portadora, es el valor medio de la potencia suministrada en las condiciones anteriores, durante un ciclo de radiofrecuencia, en ausencia de modulación.. 6. Polarización de una onda: toda onda electromagnética se caracteriza por su polarización, definida a través de la orientación del vector de campo eléctrico. Se distinguen los siguientes casos: •. Polarización horizontal: el vector de campo eléctrico se halla en el plano horizontal.. •. Polarización vertical: el vector de campo eléctrico se halla en el plano vertical.. •. Polarización oblicua: el vector de campo eléctrico tiene una inclinación de 45˚ respecto a la horizontal.. •. Polarización circular: el extremo del vector de campo eléctrico describe un círculo..

(21) CAPÍTULO 1. La radiodifusión y la evaluación de estos sistemas .. 9. Además de los parámetros de transmisión existen parámetros para la recepción de señales, pero el parámetro primordial de recepción es la intensidad de campo o potencia recibida. En cuanto a la intensidad de campo, se definen dos términos: •. Intensidad de campo mínima utilizable: es el valor mínimo del campo que permite obtener una determinada calidad de recepción. Depende de la sensibilidad del receptor, del rendimiento de la antena y del ruido natural o artificial.. •. Intensidad de campo utilizable: tiene en cuenta, además del campo mínimo, los efectos de las interferencias de otros transmisores, tanto de los existentes en un caso real como las previstas en una planificación.. Además hay que tener en cuenta otros factores a la hora de la recepción como: •. Interferencia: se define en radiocomunicación como el efecto de una energía no deseada debida a una o varias emisiones, inducciones o sus combinaciones, sobre la recepción, que se manifiesta como degradación de la calidad, falseamiento o pérdida de la información que se podría obtener en ausencia de esta energía no deseada.. •. Relación de protección en RF: es el valor mínimo (generalmente expresados en decibeles) de la relación entre la señal deseada y la no deseada (interferencia) a la entrada del receptor, que permite obtener una calidad de recepción especificada de la señal deseada a la salida del receptor.. 1.2. Las antenas y sus características. Una antena es un dispositivo que constituye la interfaz entre campos electromagnéticos guiados en una línea de transmisión y campos electromagnéticos radiados en el espacio (Molina, Garcia, & Botello, 2005). Además, una antena es un dispositivo formado por un conjunto de conductores que, unido a un generador, permite la emisión de ondas de radio frecuencia, o que, conectado a una.

(22) CAPÍTULO 1. La radiodifusión y la evaluación de estos sistemas .. 10. impedancia, sirve para captar las ondas emitidas por una fuente lejana. O sea, una antena no es más que un transductor de área efectiva. 1.2.1. Características de las antenas:. Es bueno señalar que el diseño de una antena en particular depende del campo de aplicación. A la hora de diseñar una antena hay que tener en cuenta una serie de características como son: 1. El ancho de banda: que no es más que el intervalo de frecuencias en el que la antena funciona de acuerdo a una serie de características preestablecidas. 2. El coeficiente de reflexión: es una medida del acoplamiento de la impedancia de la antena y la impedancia característica de la línea de transmisión. Cuando este factor es cero toda la energía entregada a la antena se transfiere al espacio. 3. La directividad: no es más que el cociente entre la intensidad de radiación en una dirección dada, y la intensidad de radiación promediada en todas las direcciones. 4. La ganancia: es el producto de la directividad antes mencionada, con la eficiencia. Donde el peor caso es cuando la ganancia es igual a cero y el caso deseable es cuando es igual a la directividad. 5. El factor de antena: se le denomina a la división del campo eléctrico captado por la antena, entre la tensión media en el receptor. 6. La apertura: es la potencia máxima disponible en los terminales de una antena receptora, dividido entre la densidad de potencia de una onda plana incidente. Esta apertura puede ser mayor o menor que el área física de la antena. Cuanto mayor sea, mejor será la recepción. 7. Polarización: se dice que la antena está polarizada verticalmente cuando las líneas de campo eléctrico de la antena están perpendiculares a la superficie de la tierra. Cuando las líneas de campo eléctrico están paralelas a la superficie de la tierra, la antena tiene polarización horizontal..

(23) CAPÍTULO 1. La radiodifusión y la evaluación de estos sistemas .. 11. 8. Características de radiación: el patrón de radiación es una de las características más importantes de una antena, porque describe el comportamiento direccional de la energía que radia, el patrón de radiación de una antena no depende de la distancia entre un punto y la antena; y simplemente indica la cantidad de potencia que fluye en cada dirección, referenciada a la potencia que fluye en otras direcciones, se mide a una distancia constante en la región de campo lejano de la antena y comúnmente se grafica en términos de una potencia relativa, es decir, la potencia radiada se grafica como un valor normalizado con respecto a la potencia en la dirección de radiación máxima. La potencia de radiación máxima se refiere como 0 desibeles (dB), entonces la potencia en las demás direcciones resulta un valor negativo. Al tener en cuenta las características ya mencionadas se puede realizar un buen diseño o estudio de las antenas, y con ello una buena transmisión o una buena recepción de la señal deseada.. 1.3. La antena helicoidal. La antena helicoidal o antena hélice es una antena con forma de solenoide2. La antena helicoidal es una evolución del monopolo vertical, en la cual el monopolo vertical ha sido modificado para tomar la forma de un solenoide, con el objetivo de disminuir su tamaño, debido a su utilización. Una muestra de estas antenas se puede apreciar en la figura 1.2. 2. El solenoide es un hilo metálico en el cual se enrolla un cable en forma de bobina, por el cual circula una. corriente eléctrica, cuando esto sucede, se genera un campo magnético dentro de él, que se comporta como un imán..

(24) CAPÍTULO 1. La radiodifusión y la evaluación de estos sistemas .. 12. Figura 1.2 Antena helicoidal. 1.3.1 Modos de radiación de la antena helicoidal Las antenas helicoidales, que radian un campo eléctrico con polarización aproximadamente circular en la dirección de su eje, encuentran una extensa aplicación en las bandas de UHF y SHF por su ancho de banda relativamente grande, buena ganancia y fácil fabricación. En general, una antena helicoidal puede radiar en muchos modos; sin embargo, en la práctica, dos son los más importantes: •. El modo axial de radiación.. •. El modo normal de radiación.. En el modo axial de radiación el campo es un máximo en la dirección del eje de la hélice y está polarizado elípticamente pero muy cercano a una polarización circular. La forma del patrón de radiación de este modo se puede observar en la figura 1.3.

(25) CAPÍTULO 1. La radiodifusión y la evaluación de estos sistemas .. 13. Figura 1.3 Patrón de radiación del modo axial. El modo axial ocurre cuando la circunferencia de la hélice es del orden de una longitud de onda. Para una hélice dada, este modo persiste sobre un ancho de banda relativamente grande. En el modo normal de radiación, el campo es un máximo en la dirección normal del eje de la hélice y para ciertas relaciones en el espaciamiento entre vueltas y el diámetro de las mismas, el campo se polariza circularmente. El patrón de radiación de este modo de radiación se puede ver en la figura 1.4.. Figura 1.4 Patrón de radiación del modo normal Para este modo de radiación, las dimensiones de la hélice tienen que ser pequeñas comparadas con la longitud de onda.. 1.4. Sistema de medición de antenas. La motivación que se pueda tener para realizar un conjunto de medidas de propagación tiene por objetivo poder garantizar una cobertura de servicio inalámbrico, el desarrollar herramientas que ayuden en la toma de decisiones para cubrir un área de servicio con la menor inversión posible, garantizando un determinado nivel mínimo de calidad. Interesa poder determinar la mejor ubicación de los sistemas de radiación, así como establecer el nivel de atenuación de la señal debido a los diferentes mecanismos de propagación. Los sistemas de medición de patrones de radiación que existen en la actualidad, han tomado diferentes aplicaciones entre las que figuran mediciones en laboratorios (Lab Volt System,.

(26) CAPÍTULO 1. La radiodifusión y la evaluación de estos sistemas .. 14. 1999). Todo el conjunto de instrumentos en un sistema de medición de antenas a nivel de laboratorio es quien brinda el carácter potente, práctico y de costo muy razonable con que pueden contar algunos grupos de investigación o de docencia. El paquete completo del sistema de medición incluye un conjunto de antenas, un generador RF, un sistema de recepción y el software adquisición y gestión de datos para antenas. El conjunto de antenas cumple con su función de transductor del sistema de medición, son las encargadas de convertir las señales eléctricas en señales electromagnéticas en la etapa de transmisión y de forma inversa en la etapa de recepción. El generador de RF tiene como función ser la fuente de las señales que se desean hacer propagar mediante la antena transmisora. El mismo puede tener incorporado su propia fuente de alimentación así como sistemas de protección al usuario, o protección propia contra los cambios en la línea de alimentación o procedentes de una mala conexión a la hora de ser utilizado. Un ejemplo de generador se observa en la figura 1.5.. Figura 1.5 Generador de RF. (Lab Volt System, 1999) Después del generador y la antena transmisora se tiene el orientador de antena que consiste en un mástil para la antena receptora, un motor de arrastre, un detector de señales, un atenuador variable y un codificador del eje. El motor de arrastre hace girar el mástil mientras el software comanda dicha rotación por medio de una interfaz para la adquisición de datos, el detector de señales proporciona una señal cuyo voltaje está regulado por el nivel de la señal RF recibida. El atenuador variable permite el ajuste de la sensibilidad del sistema receptor, según la intensidad de la señal recibida, a fin de evitar la saturación del sistema. El codificador se.

(27) CAPÍTULO 1. La radiodifusión y la evaluación de estos sistemas .. 15. acopla al eje del motor de arrastre y proporciona las señales que permiten seguir la rotación del mástil. El orientador de antena mencionado se puede observar en la figura 1.6.. Figura 1.6 El orientador de antena. (Lab Volt System, 1999) La interfaz para la adquisición de datos es la que acopla el orientador de antena a la computadora personal que ejecuta el software. Esta convierte la señal proveniente del orientador de antena en una señal digital que la computadora puede procesar. La interfaz también encamina las señales del codificador del eje del orientador de antena a la computadora. Asimismo, proporciona las señales requeridas para controlar el motor de arrastre y el atenuador variable del orientador de antena. Una implementación de este módulo se muestra en la figura 1.7.. Figura 1.7 Interfaz para la adquisición de datos (Lab Volt System, 1999).

(28) CAPÍTULO 1. La radiodifusión y la evaluación de estos sistemas .. 16. Como se puede apreciar este conjunto de equipos posee grandes ventajas y en muchos casos puede resultar de bajo costo, ya que su utilización se basa principalmente en mediciones de laboratorios con antenas prototipos, que no son las reales, ni se miden bajo las condiciones reales de explotación. La otra variante que existe de aplicaciones de sistemas de medición de las características de radiación de antenas, son los que se ponen en practica cuando la antena a medir es la real y se encuentra funcionando, o sea, prestando servicio, en su lugar de funcionamiento. Este es el caso de cuando se desea caracterizar una antena de radiodifusión, como el caso que se estudia en (Warren, 2002). Este sistema de medición fue diseñado y se implementó para ser utilizado a bordo de una aeronave, y se conforma de una antena receptora, un analizador de espectro y una mini computadora. Las medidas tomadas por este sistema presentan una serie de ventajas con respecto a las medidas terrestres convencionales como: •. Los resultados obtenidos de la medición no son afectados por los efectos del terreno o alteraciones de la tierra.. •. Las antenas se miden en su condición de funcionamiento final. Cuando la antena se vuelve a montar en el mástil que transmite es importante comprobar que la instalación final produce un patrón de radiación similar al de las pruebas. Este sistema es ideal para este trabajo.. •. Todas las medidas para derivar patrones de radiación horizontales y verticales se puede hacer sobre menos de una hora. Las medidas terrestres pueden tomar varios días.. Analizando los elementos del sistema de medición se tiene una antena receptora, que cumple con las condiciones planteadas en los epígrafes anteriores para la etapa correspondiente a la recepción. Esta antena tiene como función principal recibir la señal que proviene de la antena transmisora puesta en tierra y ponerla a la entrada del analizador de espectro, que no es más que un instrumento electrónico que permite visualizar en una pantalla las componentes espectrales de las señales presentes en la entrada, pudiendo ser.

(29) CAPÍTULO 1. La radiodifusión y la evaluación de estos sistemas .. 17. ésta cualquier tipo de ondas eléctricas, acústicas u ópticas (Wikipedia, Analizador de Espectro, 2007). Este instrumento es el encargado de tomar la señal proveniente de la antena y analizar sus componentes espectrales y convertirla en un valor digital, que será entregado a la mini computadora, la cual llevará a cabo el proceso de cálculos matemáticos y de llevar a gráficos los patrones de radiación de la antena. Esto se puede alcanzar solamente por una determinación exacta de la posición vertical del helicóptero concerniente a la antena que transmite, para esta exactitud nos apoyamos en un sistema de posicionamiento global (GPS) incorporado al helicóptero para su ubicación y para saber que la medida tomada es la de un punto determinado y no la de otro. El equipamiento antes mencionado se puede observar en la figura 1.8.. Figura 1.8 Sistema de medición utilizado en el helicóptero (Warren, 2002). Para tomar estas medidas se trabaja de la siguiente forma, dar vueltas en círculos alrededor de la antena tomando diferentes puntos en una circunferencia donde la antena es el centro, con un radio constante, a diferentes alturas describiendo un cilindro alrededor de la antena transmisora y a diferentes frecuencias, para conocer la respuesta y a qué frecuencia trabaja con mejor eficiencia, para ello se realizan los siguientes pasos: •. Vuelos verticales para determinar la inclinación vertical del patrón de radiación de la antena que transmite.. •. Vuelos circulares alrededor del mástil de la antena para determinar el patrón de radiación horizontal.. •. Procesar los datos medidos para producir los patrones de radiación horizontal y vertical, y para determinar las energías irradiadas eficaces..

(30) CAPÍTULO 1. La radiodifusión y la evaluación de estos sistemas .. 18. Teniendo en cuenta las ventajas que brinda el sistema de medición a bordo del helicóptero, este será un punto de partida para la realización de este trabajo. Realizando algunos cambios a la hora de definir los elementos del hardware que se van a utilizar en dicho sistema, para obtener los mismos resultados con un menor costo.. 1.5. Conclusiones del capítulo. En este capítulo se realizó un estudio de los sistemas de radiodifusión, así como también las bandas de frecuencias y las aplicaciones más importantes en cada una de ellas. Se hizo un análisis de las características de las antenas, haciendo énfasis en la antena helicoidal que es la antena transmisora en tierra a la que se le medirá el patrón de radiación en la aplicación del presente trabajo. Y por último se evaluaron algunos sistemas de mediciones existentes para aplicaciones similares, siendo esto un punto de partida y de referencia muy importante para el diseño e implementación de la aplicación requerida..

(31) CAPÍTULO 2. Diseño del sistema de medición. 19. CAPÍTULO 2. Diseño del sistema de medición. En este capítulo se realiza el diseño del sistema de medición que se utilizará, describiendo cada uno de los elementos de hardware y las características de cada una de las partes que lo componen, haciendo énfasis en los cambios con respecto a los demás sistemas analizados en este trabajo.. 2.1. Esquema general del sistema de medición. El sistema de medición a emplearse en la solución de este trabajo, cuenta con una antena receptora, conectada a un receptor de RF, al cual le sigue un convertidor análogo-digital, para completar la etapa de adquisición de datos del sistema de medición, entregando el resultado de esta etapa a una computadora, siendo esta la etapa de procesamiento de los datos obtenidos de la etapa de adquisición y la etapa de ubicación, formada por un GPS y su antena correspondiente. El diagrama en bloques del sistema de medición se puede observar en la figura 2.1.. Figura 2.1 Diagrama en bloques del sistema de medición..

(32) CAPÍTULO 2. Diseño del sistema de medición. 20. Con el sistema antes descrito se logra sustituir el analizador de espectro por un receptor de RF y un convertidor análogo-digital lo cual brinda una solución efectiva al problema existente sin la necesidad de ese equipo a bordo de la aeronave para la obtención de los resultados de la medición con la calidad necesaria para realizar un correcto diagnóstico de la antena transmisora en tierra.. 2.2. La antena receptora. La antena es un elemento de transición entre la zona de onda guiada y la zona de espacio libre, con ciertas características de direccionalidad. En recepción, si una antena se coloca en un campo electromagnético, genera como respuesta a éste una fuerza electromotriz alterna hacia un receptor. Asimismo, dependiendo de su forma y orientación, pueden captar diferentes frecuencias, así como niveles de intensidad. 2.2.1 Función de la antena receptora La antena receptora es el sensor de nuestro sistema de medición, es la encargada de llevar la señal electromagnética transmitida por la antena transmisora a una señal eléctrica que puede ser procesada posteriormente por el receptor. 2.2.2 Rango de frecuencia El rango de frecuencias en que va a operar la antena es en la banda de 3 [MHz] a 30 [MHz], lo que corresponde a la banda de onda corta utilizada para la radiodifusión comercial y de aficionados. En esta banda uno de los modos de propagación que pueden existir es por onda ionosférica de 3 a 8 [MHz] para una distancia menor de 300 [Km] solo utilizable por el día, de 3 a 12 [MHz] para distancias mayores de 500 [Km] en el horario nocturno, y de 6 a 25 [MHz] también para distancias mayores de 500 [Km] en horario diurno. Este modo de propagación se basa en que las altas capas de la atmósfera tienen la propiedad de ionizarse al recibir los rayos solares, formándose capas ionizadas que poseen la característica de reflejar o refractar las ondas de radio. El ángulo de reflexión de la onda de radio en las capas de ionosfera depende de la frecuencia de la onda y del estado de la densidad de ionización que.

(33) CAPÍTULO 2. Diseño del sistema de medición. 21. tenga la capa. Este último factor depende a su vez de la radiación del sol. Por esta razón, las ondas de radio se propagan de diferentes maneras en dependencia de la hora del día o la estación del año. A medida que la frecuencia de la onda es mayor, esta penetra más en la ionosfera, y como consecuencia el ángulo de reflexión será pequeño. Por tanto, la distancia de propagación de la onda va a ser menor. Este mecanismo es típico de las ondas cortas (HF). Otro modo de propagación que es posible en esta banda es por onda de superficie, disponible las 24 horas del día. Las ondas de superficie son las que se propagan a lo largo de la superficie terrestre. Es por ello, que se atenúa en función de la distancia de transmisión, las características del terreno y la frecuencia de trabajo. Este tipo de onda, al propagarse por la superficie del mar, sufre menos atenuación que por la terrestre, siendo típico en frecuencias de hasta 3 [MHz] (VLF, LF, MF). Las aplicaciones fundamentales que se brindan en esta banda de frecuencia son las de servicio fijo, servicio móvil y radiodifusión. 2.2.3 Características de radiación Debido a que el sistema de medición es a bordo de una aeronave, la antena receptora se localiza en la parte inferior de la misma, como se muestra en la figura 2.2. Debido a las dimensiones de la antena es necesario ubicarla debajo del helicóptero sujetada por un sistema al anclaje de la aeronave y que permita su liberación por parte del piloto en caso de emergencia..

(34) CAPÍTULO 2. Diseño del sistema de medición. 22. Figura 2.2 Ubicación de la antena receptora Esta antena debe ser omnidireccional en el plano horizontal, o sea que su característica de radiación debe describir una circunferencia en el plano horizontal. En el plano vertical también debe describir una característica omnidireccional, pero solo en la parte inferior de la aeronave, la combinación de estos dos patrones debe describir una semiesfera en la parte inferior del helicóptero, lo que brinda la posibilidad de tener la misma ganancia en cualquier posición y en cualquier dirección debajo de la aeronave respecto a la antena transmisora en tierra.. 2.3. El receptor de radiofrecuencia. Un receptor debe ser capaz de recibir, amplificar y demodular una señal de RF, y además, debe ser capaz de limitar las bandas del espectro total de radiofrecuencia a una banda específica de frecuencia (Del Castillo, 2007). En muchas aplicaciones el receptor debe ser capaz de cambiar la banda de frecuencia que es capaz de recibir, a este proceso se le denomina sintonizar el radiorreceptor. Una vez que una señal de RF se recibe, se amplifica y se limitan las bandas, debe convertirse a la fuente original de información, este proceso es conocido como demodulación. Las características de un receptor están vinculadas al tipo de transmisión y su función es recibir la señal y procesarla para que el mensaje contenido en ella pueda ser recuperado sin errores. El receptor que se debe utilizar en este sistema de medición tiene que operar en la banda de frecuencias comprendidas entre los 3 y los 30 [MHz], la banda de onda corta..

(35) CAPÍTULO 2. Diseño del sistema de medición. 23. 2.3.2 Modo de recepción La Unión Internacional de Telecomunicaciones usa un sistema de acuerdos internacionales para la clasificación de señales para radiofrecuencias. Cada tipo de radioemisiones se clasifican de acuerdo con su ancho de banda, método de modulación, la naturaleza de la señal y al tipo de información transmitida en la señal de la portadora. Es basado en las características de la señal, no en el transmisor usado. A continuación se enumeran una serie de modos de recepción (Wikipedia, Types of Radio Emissions, 2007) (Eckersley, 1985) (El Escucha, 2005), que pueden ser empleados por el transmisor para enviar la señal: CW - Radiotelegrafía, sistema por el cual se transmiten impulsos. En la telegrafía por hilos estos impulsos son de corriente continua, mientras que en la radiotelegrafía los impulsos son de radiofrecuencia. Este modo es también conocido por las letras A1A. AM - Amplitud Modulada, es tal vez el modo de emisión más conocido. Este es el modo empleado por las emisoras de broadcasting. La señal de AM se compone de una portadora y dos bandas laterales, ocupando en total un ancho de banda no menor a los 6 [KHz], la potencia que requiere, como el ancho de banda necesario para evitar interferencias es grande. Este modo es también conocido por las letras A3A. SSB - Banda Lateral Única, es una modificación de la AM en la que se ha suprimido la portadora y una de las bandas laterales, produciéndose una señal de salida en una sola de las bandas laterales, con un ancho de banda de 2 [KHz] y un consumo de potencia mucho menor. Se usa indistintamente cualquiera de las bandas laterales. La Banda lateral inferior (LSB) es más empleada en las frecuencias bajas (3 a 10 [MHz]), y la Banda lateral superior (USB) en las frecuencias más altas (13 a 30 [MHz]). Este modo es también conocido por las letras J3E y J2E. FM - Frecuencia Modulada, se produce cuando la frecuencia de la portadora varía acorde con la modulación de la señal. La desventaja de la FM es el bajo resultado.

(36) CAPÍTULO 2. Diseño del sistema de medición. 24. obtenido cuando se propaga vía capa ionosférica, por lo que su uso se ha limitado al margen de frecuencias de VHF y UHF. Este modo es también conocido por las letras A3F. RTTY, abreviatura de R por radio y TTY por teletipo, consiste de tres modos principales de operación: Baudot, Amtor y Ascii. Este modo también conocido por las letras F2A. PSK, el empleo de modems, permiten que los códigos telegráficos se envíen a una velocidad tal que sea imposible descifrarlo por el oído humano. La operación ha creado muchas variantes AFSK, BPSK, etc. todos con distintas velocidades. FSTV - Fast Scan Amateur Television, tiene similar característica a la transmisión comercial de TV, con imágenes en movimiento; es usada principalmente en las bandas de UHF. SSTV - Slow Scan Television, la transmisión de imagen por barrido lento tiene una baja resolución de las imágenes, se usa en las bandas de HF. FAX – Facsímil, las imágenes de alta resolución producidas son usadas por satélites meteorológicos en HF. 2.3.3 Parámetros del receptor Para la correcta elección de un receptor se deben tener en cuenta los parámetros fundamentales que describen su funcionamiento y su comportamiento técnico. Estos parámetros se relacionan a continuación. Parámetros generales del receptor (Del Castillo, 2007): •. Sensibilidad: se define la sensibilidad como el nivel mínimo de señal de RF aplicada a la entrada del receptor que puede ser detectada y producir una señal de información demodulada utilizable. Se expresa en:.

(37) CAPÍTULO 2. Diseño del sistema de medición. 25. 1. Términos de potencia: la sensibilidad en términos de potencia se brinda en el equipamiento de radiocomunicaciones que garantiza un acoplamiento perfecto de impedancia entre la antena y la entrada del receptor. 2. Términos de intensidad de campo: la sensibilidad en términos de la intensidad de campo eléctrico se brinda en el equipamiento que no exige que haya un acoplamiento perfecto de impedancia entre la antena y la entrada del receptor. •. Selectividad: es la habilidad del receptor para aceptar las señales de RF dentro de una banda de frecuencias y rechazar las restantes. Generalmente se asocia con la capacidad del receptor para recibir únicamente la frecuencia asociada a un canal y rechazar las otras.. •. Mejora del ancho de banda: es la mejora del ancho de banda que fija la etapa de frecuencia intermedia (FI) con respecto al ancho de banda que establece el amplificador de radiofrecuencia (ARF), lo cual logra una reducción del nivel de potencia de ruido que se recibe.. •. Rango dinámico: se define como la diferencia en decibeles (dB) entre el nivel mínimo de entrada necesario para discernir una señal y el nivel de señal que sobrecarga el receptor y produce distorsión, es el intervalo de potencia de entrada para el cual el receptor es útil.. •. Fidelidad: es una medida de la capacidad del receptor para lograr una réplica exacta de la información de la fuente original.. •. Pérdidas de inserción: es un parámetro asociado con las frecuencias que caen dentro del filtro pasabanda y se define como la relación entre la potencia transferida a una carga y la potencia suministrada a la entrada.. •. Temperatura equivalente de ruido: es un valor hipotético que sirve como modelo matemático para caracterizar el nivel de ruido que es capaz de generar un dispositivo o circuito..

(38) CAPÍTULO 2. Diseño del sistema de medición. •. 26. Impedancia: la impedancia viene a ser una cierta oposición o resistencia al paso de las ondas electromagnéticas. En el caso de un receptor, se llama impedancia de entrada a la impedancia que debe tener una antena para que el equipo funcione a su más alto nivel de eficiencia.. •. Relación señal a ruido: esta relación se expresa en decibeles (dB) y se refiere a la diferencia que hay entre la señal sintonizada y el ruido de fondo presente, que no tiene nada que ver con las interferencias, pues este ruido de fondo lo genera el propio receptor. 2.3.4 El receptor superheterodino. Este principio de recepción se fundamenta en la mezcla dos frecuencias en un dispositivo no lineal con el objetivo de obtener una frecuencia de valor fijo, que generalmente es la diferencia entre ambas. Esta frecuencia fija se denomina intermedia y está normada atendiendo al tipo de modulación. La estructura en bloques del receptor superheterodino se puede observar en la figura 2.3 y a continuación se hace una descripción de los bloques de este diagrama.. Figura 2.3 Diagrama en bloques del receptor superheterodino. 9 Sección de RF (radiofrecuencias): generalmente consiste de un pre-selector y un amplificador de RF, pueden ser circuitos separados o un solo circuito combinado. 9 El pre-selector: es un filtro pasa banda de sintonización amplia con una frecuencia central ajustable, que se sintoniza a la frecuencia portadora deseada. Este tiene como funciones básicas:.

(39) CAPÍTULO 2. Diseño del sistema de medición. •. 27. Limitar el ancho de banda del espectro que se entrega al amplificador de radiofrecuencias (ARF) y al mezclador.. •. Atenuar las respuestas espurias del receptor (frecuencia imagen y ½ FI, son las más importantes).. •. Suprimir la energía del oscilador local (OL) originada en el receptor en el paso hacia la antena.. •. Acoplar la antena con el receptor.. 9 El ARF (amplificador de radio frecuencias): determina la sensibilidad del receptor desde el punto de vista de ruido, o sea, establece el umbral de la señal. Por ser el primer elemento activo, es el primer contribuyente de ruido y por tanto, un factor determinante para la cifra de ruido del receptor. Un receptor puede tener uno o más ARF o no tener ninguno, dependiendo de la aplicación, banda de frecuencia a utilizar y sensibilidad deseada. La utilización de un ARF tiene varias ventajas, como son: •. Mejor sensibilidad.. •. Mejor rechazo a la frecuencia imagen.. •. Mejor relación señal a ruido.. •. Mejor selectividad.. 9 Sección. mezclador/convertidor:. incluye. un. oscilador. local. y. un. mezclador/convertidor. En este paso se realiza el heterodinaje y las radiofrecuencias se convierten a frecuencia intermedia. El proceso de heterodinaje no cambia el ancho de banda y la forma de onda de la envolvente permanece inalterable. 9 Sección de FI (frecuencia intermedia): consiste en una serie de amplificadores de FI (AFI) y filtros pasabanda. La mayor parte de la ganancia y la selectividad del receptor se logra en esta cadena. La frecuencia central y el ancho de banda de FI son.

(40) CAPÍTULO 2. Diseño del sistema de medición. 28. constantes para todas las estaciones y se seleccionan para que su frecuencia sea menor que cualquiera de las señales de RF que se van a recibir. 9 Sección del detector: su objetivo es convertir nuevamente las señales de FI a la información de la fuente original. Estas son las características del receptor superheterodino estándar, ahora se analizarán las diferencias con el de doble conversión que se puede apreciar en la figura 2.4. Para un buen rechazo a la frecuencia imagen se debe emplear una frecuencia intermedia relativamente alta. Sin embargo, para los amplificadores selectivos de alta ganancia, que son estables y fácilmente neutralizados, es necesaria la utilización de una frecuencia intermedia baja. La solución es utilizar dos frecuencias intermedias. La primera FI es relativamente alta para obtener un buen rechazo a la frecuencia imagen y la segunda FI es relativamente baja para una fácil amplificación.. Figura 2.4 Receptor superheterodino de doble conversión. 9 Filtro 1: es el conocido Pre-selector. 9 ARF: funciones y características similares al receptor superheterodino típico. 9 Filtro 2: su función básica es atenuar las frecuencias espurias del receptor y además aislar al OL de la antena. Frecuentemente es conocido como filtro imagen, debido a la atenuación que presta a esta frecuencia espuria..

(41) CAPÍTULO 2. Diseño del sistema de medición. 29. er 9 1 Mezclador: es un elemento no lineal que opera con los niveles más altos de RF.. De la amplia variedad de mezcladores disponibles (activos, pasivos, balanceados y no balanceados, etc.) se utiliza el que mejor cumpla con los requerimientos del sistema. 9 Filtro de Inyección: puede ser requerido para atenuar el ruido de banda ancha alrededor de la frecuencia del OL. er 9 1 OL: una propiedad importante de este bloque es su bajo ruido de simple banda. lateral (SSB), ya que este, frecuentemente, determina la selectividad frente al canal adyacente. El ruido de banda ancha es, típicamente, medido a frecuencias mucho er. mayores que el ruido de SSB y afecta la sensibilidad del receptor. El 1 OL debe oscilar independientemente de la temperatura y de las variaciones de la fuente de alimentación. er 9 1 Filtro de FI: usualmente es un filtro a cristal y protege a los pasos siguientes de. las señales de intermodulación. Provee rechazo al canal adyacente y atenúa la segunda frecuencia imagen. El ancho de banda equivalente de ruido de la cadena de FI es una propiedad importante del receptor, pues determina cuanto ruido alcanza al detector y determina el ancho de banda de modulación que puede ser recibido. 9 AFI: iguales a sus similares del Superheterodino estándar. Para tomar una muestra de la señal que de una correspondencia con la intensidad del campo que llega al receptor, se hace la medición entre el último paso de FI y antes del detector, para luego hacer llegar esta muestra al convertidor análogo digital.. 2.4. El convertidor análogo digital. Una conversión analógica-digital consiste en llevar las señales analógicas a señales digitales, con el propósito de facilitar su procesamiento (codificación, compresión y otros).

(42) CAPÍTULO 2. Diseño del sistema de medición. 30. y hacer la señal resultante (la digital) más inmune al ruido y otras interferencias a las que son más sensibles las señales analógicas (Fries & Fries, 2005). 2.4.1 Señal analógica versus señal digital Una señal analógica es aquella que puede tomar una infinidad de valores (frecuencia y amplitud) dentro de un límite superior e inferior. En cambio, una señal digital es aquella señal cuyos valores (frecuencia y amplitud) no son continuos sino discretos, lo que significa que la señal necesariamente ha de tomar unos determinados valores fijos predeterminados. Estos valores fijos se toman del sistema binario, lo que significa que la señal va a quedar convertida en una combinación de ceros y unos. Ventajas de la señal digital (Rumsey & McCormick, 2004): 1. La señal digital es más resistente al ruido. La señal digital es menos sensible que la analógica a las interferencias. 2. Ante la pérdida de cierta cantidad de información, la señal digital puede ser reconstruida gracias a los sistemas de regeneración de señales (usados también para amplificarla, sin introducir distorsión). También cuenta con sistemas de detección y corrección de errores que, por ejemplo, permiten introducir el valor de una muestra dañada, obteniendo el valor medio de las muestras adyacentes (interpolación). 3. Facilidad para el procesamiento de la señal. Cualquier operación es fácilmente realizable a través de cualquier software de edición o procesamiento de señal. 4. La señal digital permite la multigeneración infinita sin pérdidas de calidad. Esta ventaja sólo es aplicable a los formatos de disco óptico; la cinta magnética digital, aunque en menor medida que la analógica (que sólo soporta como mucho 4 o 5 generaciones), también va perdiendo información con la multigeneración. Las señales digitales también tienen sus inconvenientes y desventajas (Watkinson J. , 2003) como son:.

(43) CAPÍTULO 2. Diseño del sistema de medición. 31. 1. La señal digital requiere mayor ancho de banda para ser transmitida que la analógica. 2. Se necesita una conversión analógica-digital previa y una decodificación posterior, en el momento de la recepción. 3. La transmisión de señales digital requiere una sincronización precisa entre los tiempos del reloj de transmisor, con respecto a los del receptor. Un desfasaje, por mínimo que sea, cambia por completo la señal. La conversión análoga digital requiere de un proceso que cuenta con cuatro pasos (Watkinson, 1993) para su ejecución que son: 1. Muestreo: el muestreo (en inglés, sampling) consiste en tomar muestras periódicas de la amplitud de onda. La velocidad con que se toman esta muestra, es decir, el número de muestras por segundo, es lo que se conoce como frecuencia de muestreo y debe ser de al menos dos veces la frecuencia máxima de la señal. 2. Retención (En inglés, hold): las muestras tomadas han de ser retenidas por un circuito de retención, el tiempo suficiente para permitir evaluar su nivel (cuantificación). 3. Cuantificación: en el proceso de cuantificación se mide el nivel de voltaje de cada una de las muestras. Consiste en asignar un margen de valor de una señal analizada a un único nivel de salida. 4. Codificación: la codificación consiste en traducir los valores obtenidos durante la cuantificación al código binario. Hay que tener presente que el código binario es el más utilizado, pero también existen otros tipos de códigos. 5. Durante el muestreo y la retención, la señal aun es analógica puesto que aún puede tomar cualquier valor. No obstante, a partir de la cuantificación, cuando la señal ya toma valores finitos, la señal ya es digital..

(44) CAPÍTULO 2. Diseño del sistema de medición. 32. 2.4.2 Tipos de convertidores Una clasificación de los tipos de convertidores análogo digitales es la que aparece en la figura 2.4.. Figura 2.4 Tipos de convertidores análogo digital. •. El convertidor de aproximaciones sucesivas: es el empleado más comúnmente, apto para aplicaciones que no necesitan grandes resoluciones ni velocidades. Debido a su bajo costo se suele integrar en la mayoría de microcontroladores permitiendo una solución de bajo costo en un único chip para numerosas aplicaciones de control. El convertidor realiza una búsqueda dicotómica del valor presente en la entrada. Su principal carencia es el elevado tiempo de conversión necesario.. •. El convertidor flash: se destaca por su elevada velocidad de funcionamiento. Está formado por una cadena de divisores de tensión y comparadores, realizando la conversión de manera inmediata en una única operación. Su principal desventaja es el elevado costo.. •. Otros tipos de convertidores igualmente utilizados son: Sigma-delta, rampa y doblerampa..

(45) CAPÍTULO 2. Diseño del sistema de medición. 2.5. 33. La computadora. La computadora u ordenador (Wikipedia, Computadora, 2007) es un sistema digital con tecnología microelectrónica, capaz de procesar datos a partir de un grupo de instrucciones denominado programa. La estructura básica de una computadora incluye microprocesador (CPU), memoria y dispositivos de entrada y salida (E/S), junto a los buses que permiten la comunicación entre ellos. En resumen, la computadora es una dualidad entre hardware (parte física) y software (parte lógica), que interactúan entre sí para una determinada función. 2.5.1 Generalidades de la computadora La estructura básica de una computadora incluye microprocesador (CPU). El microprocesador no es más que un chip que sirve como cerebro de la computadora, en el interior de este componente electrónico existen millones de transistores integrados, las CPU suelen tener forma de prisma chato, y se instalan sobre un elemento llamado zócalo. Además posee memoria siendo estas los dispositivos y medios de grabación que retienen datos informáticos durante algún intervalo de tiempo. Las memorias de computadora proporcionan una de las principales funciones de la computación moderna, la retención de información, también se refiere a una forma de almacenamiento de estado sólido conocido como memoria de acceso aleatorio (RAM por sus siglas en inglés) y otras veces se refiere a otras formas de almacenamiento rápido, pero temporal. Formando parte de la estructura están los dispositivos de entrada y salida (E/S), junto a los buses que permiten la comunicación entre ellos. Los dispositivos de entrada y salida o también llamados periféricos son las unidades o dispositivos a través de los cuales la computadora se comunica con el mundo exterior, como a los sistemas que almacenan o archivan la información, sirviendo de memoria auxiliar de la memoria principal. Denominamos buses a las transferencias internas de datos que se dan en un sistema computacional en funcionamiento. En el bus todos los nodos reciben los datos aunque no se dirijan a todos éstos, los nodos a los que no van dirigidos los datos simplemente los ignoran. Los elementos mencionados son los que cobran mayor importancia para la realización de este sistema de adquisición y medición de datos..

(46) CAPÍTULO 2. Diseño del sistema de medición. 34. 2.5.2 Puertos de entrada y salida Los puertos de E/S sirven en las computadoras para obtener información del mundo exterior y devolver los resultados de dicha información. Los puertos utilizados son los puertos series y los paralelos. El puerto serie de un computador es un adaptador asíncrono utilizado para poder intercomunicar varios computadores entre sí. Este puerto serie recibe y envía información fuera del computador mediante un determinado software de comunicación o un driver del puerto serie. El software envía la información al puerto carácter a carácter, convirtiéndolo en una señal que puede ser enviada por un cable serie o un módem. En nuestras computadoras, se emplea como conector de la interfase serie, un terminal ‘macho’ al que llamaremos DTE (Data Terminal Equipment) que, a través de un cable conectamos a un periférico que posee un conector ‘hembra’ al que llamaremos DCE (Data Comumunications Equipment) para realizar la conexión. En nuestro terminal DTE, tenemos las siguientes conexiones (para un conector DB-25):.

(47) CAPÍTULO 2. Diseño del sistema de medición. 35. Tabla 2.1 Conexiones para un conector DB-25 PIN. NOMBRE. FUNCION. 1. PG. Tierra de seguridad. 2. TD. Salida de datos DTE. 3. RD. Entrada de datos DTE. 4. RTS. Petición de emisión DTE. 5. CTS. Listo para transmitir DCE. 6. DSR. CE listo para comunicar con DTE. 7. GND. Masa común del circuito. 8. DCD. Detección de portadora. 20. DTR. Señal de terminal disponible. 23. DSRD. Indicador. de. velocidad. de. transmisión. Para el protocolo de transmisión de datos, sólo se tienen en cuenta dos estados de la línea, 0 y 1, también llamados Low y High. Cuando no se transmite ningún carácter, la línea esta High. Si su estado pasa a Low, se sabe que se transmiten datos. Por convenio se transmiten entre 5 y 8 bits, pero la BIOS sólo soporta una anchura de datos de 7 u 8 bits. Durante la transmisión, si la línea está Low, se envía un 0 y si está High indica un bit a uno. Se envía primero el bit menos significativo, siendo el más significativo el último en enviarse..