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Comunicaciones en la Banda de Microondas TEMA V REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA ANTONIO JOSÉ DE SUCRE.

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1 Comunicaciones en la Banda de Microondas TEMA V REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA ANTONIO JOSÉ DE SUCRE ANTONIO JOSÉ DE SUCRE VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ Departamento de Ingeniería Electrónica

2 SUMARIO 1.Banda de Microondas, Parámetros y Sub bandas de microondas. 2.Características de la microondas. 3.Diagrama de Bloques de un sistema de microondas. 4.Repetidores de microondas. 5.Diversidad y Trayectoria. 6.Ecuaciones de Balance de Energía.

3 LA BANDA DE MICROONDAS La banda SHF (Super Altas Frecuencias), tiene su banda desde 3 GHz a 30 GHz Banda Longitud de Onda Inferior Longitud de Onda Superior SHF

4 LA BANDA DE MICROONDAS ¿De donde proviene el nombre de MICROONDAS? ESTAN EN EL RANGO DE 10 mm A 100 mm

5 LAS SUB-BANDAS DE MICROONDAS BandaGHz Nombre Anterior Nombre Actual 1 a 2 LD 2 A 3 SE 3 a 4 SF 4 a 6 CG 6 a 8 CH 8 a 10 XI 10 a 12,4 XJ 12,4 a 18 KuJ 18 a 20 KJ 20 a 26,5 KK 26,5 a 40 KaK

6 SUB-BANDAS DE MICROONDAS DE USO MILITAR Nombre de Banda Banda de Frecuencias P 225 a 390 MHz L 390 a 1550 MHz S 1,5 a 5,2 GHz X 5,2 a 10,9 GHz K 10,9 a 36 GHz Q 36 a 46 GHz V 46 a 56 GHz

7 La banda SHF tiene como características más relevantes: Haces muy directivos Haces muy directivos Se requiere muy poca potencia de Tx Se requiere muy poca potencia de Tx Se afectan mucho por la atmósfera Se afectan mucho por la atmósfera Las antenas utilizadas son parabólicas Las antenas utilizadas son parabólicas Poseen gran ancho de banda Poseen gran ancho de banda CARACTERISTICAS DE LA BANDA DE MICROONDAS

8 DIAGRAMA SIMPLIFICADO DE UN SISTEMA RADIO DE MICROONDAS FM

9 DIAGRAMA SIMPLIFICADO DE RADIO DE MICROONDAS FM La banda base es la señal compuesta que modula la portadora de FM y puede incluir uno o más de los siguientes: a) Canales de banda de voz con multicanalización por división de frecuencia: FDM. b) Canales de banda de voz con multicanalización por división de tiempo: TDM. c) Teléfono de imágenes o video compuesto con calidad de radiodifusión. d) Datos de banda ancha.

10 LIMITACIONES QUE PRESENTA LAS MICROONDAS DE FM La distancia permisible entre TX y RX depende de: a) Potencia de salida del transmisor. b) Umbral de ruido del receptor. c) Terreno. d) Condiciones atmosféricas. e) Capacidad del sistema. f) Objetivos de confiabilidad. g) Expectativas de funcionamiento.

11 REPETIDORES DE RADIOMICROONDAS DE FM Cuando la distancia entre Tx y Rx es tan grande que no permite que la señal de RF sea de los niveles adecuados para ser demodulada eficientemente y no es posible incrementar los niveles de potencia, se hace uso de los repetidores, etapas de relevo de la señal ubicados entre Tx y Rx originales

12 REPETIDORES DE RADIOMICROONDAS DE FM Un repetidor de microondas es un receptor y un transmisor colocados espalda con espalda o en tándem con el sistema. Típicamente, la distancia está entre 15 y 40 millas (24 y 64 Km)

13 TIPOS DE REPETIDORES DE MICROONDAS Hay dos tipos de repetidores de microondas: a) Repetidores de banda base b) Repetidores de IF

14 REPETIDOR DE BANDA BASE En este caso la portadora de RF recibida: i) Se convierte a una frecuencia de IF ii) Se amplifica iii) Se filtra iv) Se demodula a banda base La señal de banda base es demodulada permitiendo que ella (la señal de banda base) se vuelva a configurar para cumplir con las necesidades de ruteo de la red general de comunicaciones.

15 REPETIDOR DE BANDA BASE Se recibe la señal de RF, se lleva a IF y se demodula hasta banda base. La banda base se puede volver a configurar con otras señales. El repetidor demodula la RF a banda base, la amplifica y le da nueva forma. Luego se modula la portadora de FM

16 REPETIDOR DE IF La portadora de RF recibida se convierte en forma descendente a una frecuencia de IF, se amplifica y, con nueva forma, se convierte ascendentemente a una frecuencia de RF, y luego se retransmite.

17 DIVERSIDAD Diversidad sugiere que hay más de una ruta de transmisión, o método de trasmisión disponibles entre un transmisor y un receptor. En un sistema de microondas, el objetivo de usar diversidad es aumentar la confiabilidad del sistema, aumentando su disponibilidad.

18 DIVERSIDAD Confiabilidad(%) Tiempo de interrupcion (%) Tiempo de Interrupción Año(horas) Por mes (horas) Día(horas) , , , min ,4 min 99,90, min 1,44 min 99,990,01 53 min 4,3 min 8,6 seg 99,9990,001 5,3 min 26 seg 0,86 seg 99,99990, seg 2,6 seg 0,086 seg

19 DIVERSIDAD Si el sistema dispone de más de una ruta para la señal de RF, podrá seleccionar la que produzca la máxima calidad en la señal recibida. La máxima calidad se determina evaluando la relación de portadora a ruido (C/N) en la entrada del receptor, o tan solo midiendo la potencia de la portadora recibida.

20 DIVERSIDAD Los tipos de diversidad que se utilizan son: Frecuencia Espacial Polarización Híbrido Cuádruplo Frecuencia Espacial Polarización Híbrido Cuádruplo Frecuencia Espacial Polarización Híbrido Cuádruplo

21 ARREGLOS DE CONMUTACION Para evitar la interrupción del servicio en un sistema de microondas por desvanecimiento o fallas, se recurre a los arreglos de conmutación. Esta es una ruta alternativa que puede seguir la señal de IF desde el emisor hasta el receptor.

22 Arreglo: Reserva Continua

23 Arreglo: Uso de Diversidad ARREGLOS DE CONMUTACION

24 CARACTERÍSTICAS DE TRAYECTORIA LA TRAYECTORIA de un sistema de radiocomunicaciones es el recorrido que sigue la señal a través del medio de transmisión para llegar desde el emisor hasta el receptor. Este recorrido puede seguir varios caminos diferentes y algunas veces simultáneos

25 CARACTERÍSTICAS DE TRAYECTORIA

26 La trayectoria de espacio libre: libre: es la trayectoria de línea de vista directamente entre las antenas transmisora y receptora. La onda reflejada a tierra: tierra: es la porción de la señal transmisora que se refleja de la superficie de la tierra y es capturada por la antena receptora.

27 CARACTERÍSTICAS DE TRAYECTORIA La onda de superficie consiste de campos eléctricos y magnéticos asociados con las corrientes inducidas por la superficie de la tierra, depende de las características de la superficie de la tierra y de la polarización electromagnética de la onda. La suma de estas tres trayectorias anteriores se llama la onda de tierra. La onda de cielo es la porción de la señal transmisora que se regresa reflejada por las capas ionizadas de la atmósfera de la tierra.

28 CARACTERÍSTICAS DE TRAYECTORIA Para el estudio en microondas, son de interés solo las señales de ondas directas y las reflejadas.

29 GANANCIA DEL SISTEMA a) La ganancia del sistema es la diferencia entre la potencia nominal de salida de un transmisor y la potencia mínima de entrada requerida por un receptor. b) La ganancia del sistema debe ser mayor que o igual a la suma de todas las ganancias y pérdidas incurridas por una señal, conforme se propaga de un transmisor a un receptor. La ganancia del sistema se utiliza para predecir la confiabilidad de un sistema para determinados parámetros del sistema.

30 GANANCIA DEL SISTEMA Potencia Maxima de Salida del Transmisor Potencia Minima de la Entrada del Receptor Ganancia

31 GANANCIA DEL SISTEMA Matemáticamente, la ganancia del sistema es: donde: G s = ganancia del sistema (dB) P t = potencia de salida del transmisor (dBm) C mínima = potencia mínima de entrada del receptor para un objetivo de calidad determinado (dBm)

32 GANANCIA DEL SISTEMA En la ecuación se debe cumplir: Las ganancias están dadas por: At = ganancia de la antena transmisora (dB) relativa a un radiador isotrópico. Ar = ganancia de la antena receptora (dB) relativa a un radiador isotrópico Las Pérdidas están dadas por: Lp = pérdida de la trayectoria de espacio libre entre antenas (dB) Lf = pérdida del alimentador de guías de ondas (dB) entre la red de distribución (véase tabla I). Lb = pérdida total de acoplamiento o ramificación (dB) en los circuladores, filtros y red de distribución entre la salida de un transmisor o la entrada de un receptor y su alimentador de guías de ondas respectivo (véase tabla I). Fm = margen de desvanecimiento para un determinado objetivo de confiabilidad.

33 GANANCIA DEL SISTEMA Matemáticamente, la ganancia del sistema es: en donde todos los valores están expresados en dB o dBm.

34 GANANCIA DEL SISTEMA Nota: Debido a que la ganancia del sistema indica una pérdida neta, las pérdidas están representadas con valores dB positivos y las ganancias están representadas con valores dB negativos.

35 TABLA 1: PARÁMETROS PARA LA GANANCIA DEL SISTEMA Frecuencia (GHz) Perdida del alimentador, L f Perdida por Ramificación (dB) Ganancia de la antena, A t o A r Diversidad Tipo Perdida (dB/100m) FrecuenciaEspacio Tamaño (m) Ganancia (dB) 1.8 Cable coaxial lleno de aire Guía de onda elíptica Guía de ondas elípticas EWP

36 REPRESENTACIÓN GANANCIAS Y PÉRDIDAS DEL SISTEMA

37 PÉRDIDA DE TRAYECTORIA DE ESPACIO LIBRE La pérdida de trayectoria de espacio libre se define como la pérdida incurrida por una onda electromagnética conforme se propaga en una línea recta a través de un vacío sin ninguna absorción o reflexión de energía de los objetos cercanos.

38 PÉRDIDA DE TRAYECTORIA DE ESPACIO LIBRE Se determina por la ecuación: en donde: Lp = pérdida de trayectoria de espacio libre D = distancia f = frecuencia = longitud de onda c = velocidad de la luz en el espacio libre

39 PÉRDIDA DE TRAYECTORIA DE ESPACIO LIBRE Convirtiendo a dB da Cuando la frecuencia se da en MHz y la distancia en km, Cuando la frecuencia se da en GHz y la distancia en km,

40 MARGEN DE DESVANECIMIENTO El margen de desvanecimiento es un "factor de acolchonamiento" incluido en la ecuación de ganancia del sistema que considera las características no ideales y menos predecibles de la propagación de ondas de radio, como la propagación de múltiples trayectorias (pérdida de múltiples trayectorias) y sensibilidad a superficie rocosa. El margen de desvanecimiento también considera los objetivos de confiabilidad del sistema. Por lo tanto, se incluye como pérdida el margen de desvanecimiento en la ecuación de ganancia del sistema.

41 MARGEN DE DESVANECIMIENTO en donde: Fm = margen de desvanecimiento (dB) D = distancia (km) f = frecuencia (GHz) R = confiabilidad expresada como decimal 1-R = objetivo de confiabilidad para una trayectoria de 400 km en un solo sentido o dirección. A = factor de rugosidad = 4 sobre agua o en un terreno muy parejo = 1 sobre un terreno normal = 0.25 sobre un terreno montañoso muy disparejo B = factor para convertir una prob. del peor mes a una prob. anual = 1 para convertir una disponibilidad anual a una base para el peor mes. = 0.5 para áreas calientes y húmedas. = 0.25 para áreas normales tierra adentro. = para áreas montañosas o muy secas

42 UMBRAL DEL RECEPTOR Un parámetro muy importante cuando se evalúa el rendimiento de un sistema de comunicaciones de microondas es la portadora a ruido. La potencia de la portadora de banda ancha mínima en la entrada de un receptor que proporcionará una salida de banda base que pueda utilizarse se llama Umbral del Receptor o, a veces, Sensibilidad del Receptor.

43 UMBRAL DEL RECEPTOR El umbral del receptor depende de la potencia de ruido de banda ancha que está presente en la entrada de un receptor, el ruido que se introduce en el receptor, y la sensibilidad al ruido del detector de banda base. Antes de que se pueda calcular C mínima, tiene que determinarse la potencia del ruido de entrada.

44 UMBRAL DEL RECEPTOR La potencia del ruido de entrada se expresa matemáticamente como: en donde: N = potencia de ruido (watts). K = constante de Boltzmann ( 1.38 x J/K). T = temperatura de ruido equivalente del receptor (Kelvin) (temperatura ambiente = 290 K). B = ancho de banda de ruido (Hertz).

45 UMBRAL DEL RECEPTOR Expresado en dBm El umbral del receptor es directamente proporcional al ancho de banda y la temperatura.

46 RELACIÓN PORTADORA A RUIDO VERSUS RELACIÓN SEÑAL A RUIDO Portadora a ruido (C/N) es la relación de la "portadora" de banda ancha a la potencia de ruido de banda ancha (el ancho de banda de ruido del receptor). El C/N se puede determinar a un punto de RF o de IF en el receptor. Esencialmente, el C/N es una relación señal-a-ruido de predetección (antes de la demodulación de FM). La señal a ruido (S/N) es una relación de posdetección (después de la demodulación de FM). En un punto de banda base del receptor, se puede separar un solo canal de banda de voz del resto de la banda base y puede medirse independientemente.

47 FIGURA DE RUIDO: (NF) En su forma más sencilla, la figura de ruido (NF) es la relación señal-a-ruido de un dispositivo ideal, sin ruido dividido por la relación de S/N, en la salida de un amplificador o de un receptor. En un sentido más práctico, la figura de ruido se define como la relación de S/N en la entrada de un dispositivo dividido por la relación de S/N a la salida. Sistema o Dispositivo

48 FIGURA DE RUIDO: (NF) Por lo tanto, la figura de ruido es una relación de relaciones. La figura de ruido de un dispositivo totalmente sin ruido es la unidad o 0 dB. La figura de ruido se puede determinar entonces por la ecuación:

49 ESTACIONES DE RADIOMICROONDAS DE FM Existen dos tipos de estaciones de radiomicroondas de FM: Estaciones terminales: son puntos, dentro del sistema, donde las señales de banda base se originan o terminan. Estaciones repetidoras: son puntos, dentro del sistema, donde las señales de banda base se pueden volver a configurar o donde las portadoras de RF simplemente se "repiten" o se amplifican.

50 ESTACIONES DE RADIOMICROONDAS DE FM Estación terminal de radiomicroondas, banda base, enlace de entrada de línea de cable e IF de FM

51 ESTACIONES DE RADIOMICROONDAS DE FM Estación terminal de radiomicroondas transmisor y receptor.

52 ESTACIONES DE RADIOMICROONDAS DE FM Configuración esquemática de una Estación repetidora de radiomicroondas

53 ESTACIONES DE RADIOMICROONDAS DE FM Interferencias entre estaciones repetidoras de radiomicroondas. En algunas ocasiones y según la distribución de las estaciones repetidoras, es posible que se presenten anomalías entre estaciones repetidoras que estén alineadas o no, lo cual ocasiona perturbaciones o interferencias entre ambas. Para resolver esta situación, es posible utilizar frecuencias diferentes entre estaciones repetidoras adyacentes. Se recibe la señal de entrada con una frecuencia y al retransmitirla se envía con una frecuencia diferente.

54 ESTACIONES DE RADIOMICROONDAS DE FM Interferencias entre estaciones repetidoras de radiomicroondas. Sistema de microondas para el tratamiento de interferencias multisaltos. Uso de frecuencias alta/baja

55 Actividades de Autodesarrollo Visite la página web Familiarícese con la misma y ponga en práctica los conocimientos adquiridos realizando cálculos con el sistema de proyección de esta página web.

56 ACTIVIDADES COMPLEMENTARIAS Analice los problemas resueltos del libro Tomasi, Capítulo 17. Resuelva algunos problemas del capítulo 17.

57 FIN DEL TEMA 5 Gracias

58 DIVERSIDAD en FRECUENCIA La diversidad de frecuencia solo consiste en modular dos portadoras de RF distintas con la misma información de FI, y transmitir entonces ambas señales de RF a un destino dado. En el destino, se demodulan ambas portadoras y la que produzca la señal de FI de mejor calidad, es la que se selecciona.

59 DIVERSIDAD en FRECUENCIA

60 DIVERSIDAD ESPACIAL La salida de un transmisor se alimenta a dos o más antenas, físicamente separadas por una cantidad apreciable de longitudes de onda. De igual manera, en el receptor, puede haber más de una antena que proporcione la señal de entrada al receptor. Si se usan varias antenas receptoras, también deben estar separadas por una cantidad apreciable de longitudes de onda.

61 DIVERSIDAD ESPACIAL

62 DIVERSIDAD de POLARIZACION Para este caso, una sola portadora de RF se propaga con dos polarizaciones electromagnéticas diferentes, vertical y horizontal, debido a que las ondas electromagnéticas de distintas polarizaciones no necesariamente están sometidas a las mismas degradaciones de transmisión.

63 DIVERSIDAD de POLARIZACION La diversidad de polarización se usa en general junto con la diversidad espacial. Un par de antenas de transmisión y recepción se polariza en sentido vertical, y el otro en sentido horizontal. También es posible usar en forma simultanea la diversidad de frecuencia, espacial y de polarización.

64 DIVERSIDAD de POLARIZACION

65 DIVERSIDAD HIBRIDA Consiste en una trayectoria normal de diversidad de frecuencia, en la que los dos pares de transmisor y receptor en un extremo de la trayectoria están separados entre sí y conectados a distintas antenas, separadas verticalmente como en la diversidad espacial.

66 DIVERSIDAD HIBRIDA El arreglo proporciona un efecto de diversidad espacial en ambas direcciones; en una porque los receptores están separados verticalmente, y en la otra porque están separados horizontalmente.

67 DIVERSIDAD de CUADRUPLE Es una combinación de diversidad de frecuencia, espacial, de polarización y de recepción en un solo sistema. Proporciona la transmisión más confiable; sin embargo, también es la más costosa.

68 DIVERSIDAD de CUADRUPLE Su desventaja obvia es que necesita equipo electrónico, frecuencias, antenas y guías de ondas redundantes, que son cargas económicas.


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