Líneas de Transmisión y Antenas Mg. Ing. Juan Borja Murillo Conceptos Generales.

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1 Líneas de Transmisión y Antenas Mg. Ing. Juan Borja Murillo jborja@star.com.pe Conceptos Generales

2 Evolución de los Sistemas de Telecomunicaciones z1837: En USA, Samuel Morse patenta el telégrafo z1855: Teléfono Alambico z1877: En USA, T. Edison patenta el fonógrafo z1887: Ondas Electromagnéticas z1895: Telégrafo sin hilos z1901: G. Marconi transmite señales de radio desde Cornualles a Terranova z1903: Transmisión de imágenes por telégrafo z1904: Válvula Electroiónica z1905: Antena de radio Marconi

3 z1921: Telefotografía z1925: John Logie Baird transmite la primera señal de televisión z1948: Invención del transistor z1957: Satélite Artificial z1958: Televisión a Color z1961: Comunicaciones Digitales z1975: Computadoras personales, z1966: Charles K. Kao teoriza sobre la fibra óptica Evolución de los Sistemas de Telecomunicaciones

4 z1969: Se inaugura ARPANET, el antecesor de Internet z1973: A. Hasegawa y F. Tappert, uso de señales digitales para información a través de la fibra óptica. z1980: Telefonía Móvil z1991: Televisión Digital Interactiva z1989: En el CERN, T. Berners-Lee y R. Cailliau crean el prototipo que se convertirá en la World Wide Web (WWW). z1991: A. Olsson transmite por fibra óptica a 4 Gbps. z1998: aparece el primer libro digital z1999: Inicio de la Telepresencia Evolución de los Sistemas de Telecomunicaciones

5 Unidades y Magnitudes usadas en los Sistemas de Radiocomunicaciones Unidades Lineales

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7 Unidades y Magnitudes usadas en los Sistemas de Radiocomunicaciones Unidades Logarítmicas Unidades de Comparación: P entrada AmplificadorP salida BELIO = Log (P salida / P entrada ) DECIBELIO (dB) = 10 Log (P salida / P entrada ) DECIBELIO (dB) = 20 Log (V sal /V ent ) = 20 Log (I sal /I ent ) NEPER (Np) = Ln (V salida / V entrada )

8 Unidades y Magnitudes usadas en los Sistemas de Radiocomunicaciones Unidades Logarítmicas Unidades de Potencia: P entradaAmplificador P salida Nº dBm = 10 Log (P salida / 1 mW) Nº dBw = 10 Log (P salida / 1 W)

9 Unidades y Magnitudes usadas en los Sistemas de Radiocomunicaciones Unidades Logarítmicas Unidades de Tensión: Nº dBV = 20 Log (V salida / 1 V) Nº dBmV = 20 Log (V salida / 1 mV) Nº dBuV = 20 Log (V salida / 1 uV) Amplificador o Atenuador V ent.V sal.

10 Modos de Transmision zSimplex (SX) zHalf - duplex (HDX) zFull – duplex (FDX) zFull / full – duplex (F/FDX)

11 Designación de Bandas de CCIR Nº de banda Rango de frecuencia Indicativo Propagación 230 – 300 Hz.ELFOnda Terrestre 30.3 – 3 KHz.SLFOnda Terrestre 43 – 30 KHz.VLFOnda Terrestre 530 – 300 KHz.LFOnda Terrestre y Superficial 60.3 – 3 MHz.MFOnda Superficial 73 – 30 MHzHFOnda Superficial y Ionosférica

12 Designación de Bandas de CCIR Nº de banda Rango de frecuencia Indicativo Propagación 830 – 300 MHz.VHFOnda Ionosférica y Directa 90.3 – 3 GHz.UHFOnda Directa 103 – 30 GHz.SHFOnda Directa 1130 – 300 GHz.EHFOnda Directa y Luz Infrarroja 120.3 – 3 THz.Luz Infrarroja 133 – 30 THzLuz Infrarroja

13 Designación de Bandas de CCIR Nº de banda Rango de frecuencia Indicativo Propagación 1430 – 300 THz.Luz Infrarroja 150.3 – 3 PHz.Luz Visible 163 – 30 PHz.Luz Ultravioleta 1730 – 300 PHz.Rayos X 180.3 – 3 Ehz.Rayos Gamma 193 – 30 EHzRayos Cósmicos

14 Medios de Transmisión Medio de Transmisión Longitud de Onda Banda de Frecuencias Aplicación Principal Par de alambres, cable multipar 10000 – 1000 Km. 30 – 300 Hz (ELF) Comunicación Submarina Par de alambres, cable multipar 1000 – 100 Km.0.3 – 3 KHz (SLF o VF) Telefonía, Transmisión de datos,Telex, Fax Par de alambres, cable multipar, Ondas de Tierra 100 – 10 Km.3 – 30 KHz. (VLF) Telefonía de Onda Portadora baja capacidad, navegación y Radiotelegrafia Par de alambres, Ondas de Tierra 10 – 1 Km.30 – 300 KHz. (LF) Telefonía de Onda Portadora mediana capacidad, Radiofaro Navegación, Radiodifusión onda larga.

15 Medios de Transmisión Medio de Transmisión Longitud de Onda Banda de Frecuencias Aplicación Principal Cable Coaxial, Ondas de Cielo 1000 – 100 m. 0.3 – 3 MHz (MF) Radiodifusión AM, radio aficionados, radio móvil. Cable Coaxial, cable UTP (cat. 3 y 4), Ondas de Cielo. 100 – 10 m.3 – 30 MHz (HF) Radio aficionados, comunicaciones militares y marítimas, radio telefonía móvil. Cable Coaxial, cable UTP (cat. 5), Ondas Directas 10 – 1 m.30 – 300 MHz. (VHF) TV, radiodifusión FM, Multiacceso Radial, radio enlaces direccionales. Ondas Directas100 – 10 cm.0.3 – 3 GHz. (UHF) TV, Telemetría por radar, comunicaciones militares por satélite, telefonía celular, radio de espectro ensanchado

16 Medios de Transmisión Medio de Transmisión Longitud de Onda Banda de Frecuencias Aplicación Principal Guía de Onda, Línea Visual. 10 – 1 cm.3 – 30 GHz (SHF) Comunicaciones vía satélite, radio enlace direccional analógico y digital, operación aérea por radar. Guía de Onda, Línea Visual. 1 – 0.1 cm.30 – 300 GHz (EHF) Comunicación militar por satélite, radio astronomía, aterrizaje por radar. Fibra Óptica3 – 0.3 pm.100 – 1000 THz. (Infrarrojo, Luz Visible, Ultravioleta) Telefonia muy alta capacidad, servicios de banda ancha (SONET, SDH y ATM), video conferencia, CATV por F.O.

17 Trayectorias de Propagación zOndas Terrestres y Superficiales zOndas de Cielo (Ionosféricas) zOndas Directas zOndas Reflejadas

18 Espectro Electromagnético

19 Cálculo de la Longitud de Onda Longitud de Onda = Velocidad / Frecuencia λ = v / f Si el medio de propagación en el aire o el espacio libre v = c (300,000 Km/s)

20 Ancho de Banda y Capacidad de Información zLas limitaciones mas importantes para el funcionamiento de un sistema de comunicaciones son el ruido y el ancho de banda. zEl ancho de banda de un canal de comunicación es la diferencia entre la frecuencia máxima y mínima que puede pasar por el canal. zEl ancho de banda de un canal de comunicación debe ser igual o mayor que el ancho de banda de la información.

21 Capacidad de información zEs la medida de cuanta información se puede transferir a través de un sistema de comunicaciones en un determinado tiempo. zLey de Hartley: I ≈ B x t I = Capacidad de Información B = Ancho de banda del sistema (Hertz) t = Tiempo de transmisión (segundos)

22 Ancho de Banda zSe requieren 3 KHz de ancho de banda para transmitir las señales telefónicas con calidad de voz. zSe asignas 200 KHz para transmisión comercial de FM para música, con alta fidelidad. zSe requieren casi 6 MHz de ancho de banda para emitir señales de televisión de alta calidad

23 Capacidad de Información de un canal digital zC.E. Shannon relacionó la capacidad de información de un canal de comunicaciones, en bits por segundo (bps), con el ancho de banda y la relación señal a ruido: I = B log 2 (1 + s/n) I = 3.32 B log 10 (1 + s/n) I = Capacidad de información (bps) B = Ancho de banda (Hz) s/n = Relación potencia de señal a ruido

24 Ruido Eléctrico zEnergía eléctrica no deseable presente en la banda útil del circuito de comunicación. zSe puede clasificar el ruido en dos categorías: Correlacionado y No Correlacionado. zEl ruido Correlacionado solo existe cuando hay una señal. zEl ruido No Correlacionado está presente siempre, haya o no señal.

25 Ruido Eléctrico Correlacionado Es aquel que se relaciona mutuamente con la señal, y no puede estar en un circuito a menos que haya una señal de entrada. Se produce por amplificación no lineal, e incluye la distorsión armónica (cuando se producen las armónicas no deseadas de una señal, debido a una amplificación no lineal) y de intermodulación (generación de frecuencias indeseables de suma o diferencia), ya que las dos son formas de distorsión no lineal.

26 Ruido Eléctrico No Correlacionado Está presente independientemente si haya una señal o no. El ruido No Correlacionado puede sub dividirse en dos categorías generales: Externo e Interno. zEl Ruido Externo es el que se genera fuera del dispositivo o circuito. zEl Ruido Interno es la interferencia eléctrica generada dentro de un dispositivo o circuito.

27 Ruido Externo Hay tres causas principales de ruido Externo: zRuido atmosférico: Perturbaciones eléctricas naturales. Electricidad estática (rayos) zRuido extraterrestre: Señales eléctricas originadas fuera de la atmósfera terrestre (solar y cósmico) zRuido hecho por el hombre: Su puente principal son mecanismos que producen chispas, ruido industrial (conmutadores, generadores, lámparas florescentes)

28 Ruido Interno Hay tres causas principales de ruido Interno: zRuido Térmico: Asociado con el movimiento rápido y aleatorio de electrones libre, producido por la agitación térmica. zRuido de Tiempo de Tránsito: Variación irregular y aleatoria, producida por la modificación de una corriente de portadores, cuando pasa de la entrada a la salida de un dispositivo. zRuido de Disparo: Se debe a la llegada aleatoria de portadoras al elemento de salida de un dispositivo electrónico (diodo, FET, transistor bipolar).

29 Ruido Térmico Es el movimiento aleatorio de los electrones libres dentro de un conductor, causado por la agitación térmica. Llamado también: Movimiento Browniano por su descubridor Robert Brown, Ruido de Johnson en honor a quien lo relacionó con el movimiento de los electrones y Ruido Blanco porque se produce en todas las frecuencias

30 Ruido Térmico La potencia de ruido térmico es proporcional al producto del ancho de banda por la temperatura. N = KTB N = Potencia de ruido (Vatios) K = Constante de Boltzmann 1.38 x 10 -23 Joules por grado Kelvin. T = Temperatura absoluta (ºK) B = Ancho de banda (Hz) T = ºC + 273

31 Ruido Térmico La potencia de ruido térmico expresado en dBm. N (dBm) = 10 Log (KTB/0.001) N = Potencia de ruido (Vatios) K = Constante de Boltzmann 1.38 x 10 -23 Joules por grado Kelvin. T = Temperatura absoluta (ºK) B = Ancho de banda (Hz) Potencia de ruido térmico a temperatura ambiente N (dBm) = -174 dBm + 10 Log B

32 Voltaje de Ruido N = KTB = (V N /2) 2 / R = V N 2 / 4R R1 = Resistencia Interna (Ohmios) VN = Tensión rms de Ruido Para máxima transferencia de Potencia R L = R I V N 2 = 4RKTB ______ V N = √ 4RKTB

33 Relación Señal a Ruido Es el cociente del valor de la potencia de la señal, entre el valor de la potencia del ruido. S/R = S/N = Ps/Pn Ps = Potencia de la señal (Vatios) Pn = Potencia del ruido (Vatios) S/N (dB) = 10 Log (Ps/Pn) S/N (dB) = 20 Log (Vs/Vn)

34 Factor de Ruido y Cifra de Ruido Factor de Ruido es el cociente de relaciones de potencia señal a ruido a la entrada entre la relación de potencia señal a ruido en la salida. Cifra de Ruido es el Factor de Ruido expresado en dB.

35 Problemas 1.Convertir 17ºC, 0ºC y -20ºC en ºK 2.Convertir 15 W, 0,02W y 10 mW en dBm 3.Convertir 15dBw en W y 4dBm en mW

36 Problemas 4.Temperatura Ambiente (17ºC) BW = 10 KHz Calcular: a)Potencia de Ruido Térmico en W y dBm. b)Voltaje rms del ruido, para una Resistencia Interna de 100 Ω y una Resistencia de Carga de 100 Ω.