Fisica Aplicada a las Telecomunicaciones Resumen Presentaciones Docente:Miguel Quiroz S.

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1 Fisica Aplicada a las Telecomunicaciones Resumen Presentaciones Docente:Miguel Quiroz S

2 Historia de las comunicaciones Todo comienza cuando el ser humano supera los sistemas rudimentarios de comunicación: gestos, muecas, gruñidos… …y surge el habla articulada. Ñam, ñam…

3 De esta forma, fueron inventando sistemas con el fin de que los mensajes perdurasen: 1.Pictogramas egipcios 2.Los sumerios fueron los primeros en atribuir un símbolo a un sonido particular 3.Los fenicios inventaron el alfabeto 4.Gutenberg la imprenta

4 El despegue de los sistemas de comunicación se inicia a partir del S. XIX 1.Sistemas de comunicación por impulsos eléctricos por cable: telégrafo y teléfono 2.Comunicación a través de ondas electromagnéticas. Comuni- cación inalámbrica: radio, telefonía móvil, TV satélite…

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6 Pasado 50 años atrás, se consideraba que las comunicaciones solo se podrían efectuar siempre y cuando existieran dos puntos conectados por un cable… …y para hacerlas posible era necesario un “operador”…

7 Sistemas de transmisión a distancia Señales acústicas: el sonido viaja en el aire a 340 m/s. Tambor, sirena de policía, etc. Señales visuales: se fundamentan en la propagación de la luz (300.000 Km/s). Señales de humo, código de banderas, semáforos... Comunicación eléctrica: se emplean impulsos eléctricos u ondas electromagnéticas

8 Elementos de un sistema de comunicación Emisor  Canal de comunicación  Receptor TRANSDUCTOR Transforma las señales en impulsos eléctricos TRANSDUCTOR

9 Tipos de señales (por su duración) Contínuas: La transmisión se realiza sin interrupción. Ej. el sonido Discretas: Fracciones de señal tomadas a intervalos de tiempo regulares.

10 Tipos de señales (por sus valores) Analógicas: Toman infinitos valores entre dos puntos y su variación es continua Digitales: Toman valores discretos, que se denominan binarios. Las señales analógicas pueden convertirse fácilmente en digitales 1 0

11 Antecedentes de óptica Euclides (c. 260 a.C) Óptica: Primera referencia a la refracción. Tratamiento geométrico y teoría fisiológica (emanaciones del ojo al objeto) Herón ( c. 50) Catóptrica: reflexión Ptolomeo (c.160) Óptica (perdida) : teorías cualitativas de la refracción

12 Alhacen Perspectiva (965-1040) Matemático persa Primera alternativa de rayos exteriores Witelo (1270) Perspectiva Tabulación de ángulos de incidencia y refracción Dietrich de Freiberg ( h. 1240-1310) (h. 1305) Explicación cualitativa del arco iris

13 La ciencia de la óptica Kepler (1611) Dioptrice : teoría de la refracción Willebrord Snel van Royen (1580-1626) Snellius. Astrónomo y matemático. Cyclometria sive de circuli dimensione (1621) Ley de la refracción (de Snell).

14 Efecto de la refracción en un prisma Efecto de la refracción en un prisma Espejismo debido a la refracción de la luz en el aire con un índice de refracción variable originado por las diferencias de temperatura

15 Pierre de Fermat (1601-1665) Matemático (1658) Principio de Fermat (tiempo mínimo) Último teorema de Fermat, demostrado por Andrew Wiles en 1994

16 Christiaan Huygens (1629-1695) Astrónomo, matemático y físico (1690) Tratado sobre la luz: Principio de Huygens

17 Isaac Newton (1704) Optics : Naturaleza corpuscular de la luz. Estudio del color con prismas. Lentes y anillo de Newton

18 Thomas Young (1773-1829) Físico, médico y egiptólogo (1800) Teoría ondulatoria de la luz Experimento de Young, piedra de Rosetta, astigmatismo Augustin Jean Fresnel (1788-1827) Físico (1810) Desarrollo de la teoría ondulatoria polarización, difracción, lente de Fresnel Lente de Fresnel de un faro

19 ¿Qué son las ondas? Fenómeno casi universal requieren: impulso externo de energía respuesta elástica 1 En la materia – sonido - de superficie - elásticas 2 En el vacío – ondas electromagnéticas Se propaga la energía y el momento, ¡ pero no la materia, que sólo oscila ! Propiedades:Velocidad constante Interferencia

20 Onda transversal en una cuerda

21 Onda longitudinal en un muelle

22 Componente espacial: definición de longitud de onda (λ) Componente temporal: definición de período(T) y frecuencia(1/T)

23 RELACIÓN DE LA ONDA CON LA FUENTE EMISORA, CON EL MEDIO Y CON EL DETECTOR La fuente determina la frecuencia y la amplitud (intensidad) El medio determina la velocidad y, por tanto, la longitud de onda Un cambio de medio implica igual frecuencia y cambio de velocidad y de longitud de onda

24 Ondas sonoras en el aire

25 Nota la central (440 Hz) de dos instrumentos distintos Detección: Sonido – tono, timbre, intensidad Luz – color (frecuencias), intensidad

26 Interferencia de ondas

27 Onda electromagnética polarizada Polarizador

28 Joseph von Fraunhofer (1787-1826)Aprendiz de óptico y físico (1815) red de difracción rayas de Fraunhofer Difracción por una rendija estrecha de luz de dos longitudes de ondadistintas

29 Difracción por dos aberturas circulares

30 Christian Doppler (1803-1853) (1842) Efecto Doppler efecto Doppler Aumento o disminución de la frecuencia de una onda sonora cuando la fuente que la produce y la persona que la capta se alejan la una de la otra o se aproximan la una a la otra.

31 Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887) Físico (1859) las rayas de Fraunhofer son de elementos químicos: Comienzo de la espectroscopía (1863) Investigaciones sobre el espectro solar y los espectros de los elementos químicos Leyes de Kirchhoff (circuitos eléctricos) Ley de Kirchhoff (radiación)

32 Espectro del átomo de hidrógeno

33 Ole Roemer (1644-1710) Astrónomo (1679) Eclipses de Io La medida de la velocidad de la luz V = 230.000 km/s

34 James Bradley (1693-1762) Astrónomo. Director del observatorio de Greenwich (1727) : medida de la aberración estelar 295.000 km/s Principio de la aberración estelar

35 Louis Fizeau (1819-1896) Físico (1849) Primera medida de la velocidad de la luz con experimento terrestre 315.000 km/s

36 Léon Foucault (1819-1868) Astrónomo, matemático y físico. Péndulo de Foucault, corrientes de Foucault (1850) Mejoró la medida de Fizeau: 300.000 km/s Valor actual 299.792, 458 km/s

37 Albert Michelson (1852-1931) Físico. Premio Nobel (1907). Interferómetro. Velocidad de la luz. Determinación del diámetro de Betelgueuse. Edward Morley (1838-1923) Químico. Experimento de Michelson-Morley: velocidad de la Tierra respecto del “éter”.

38 La comunicación eléctrica ALÁMBRICA Transmisión de información a través de un conductor mediante impulsos eléctricos –Telégrafo –Teléfono fijo –Televisión por cable INALÁMBRICA Transmisión de información a través del espacio mediante ondas electromagnéticas –Teléfono móvil –Radio –Televisión

39 Comunicación alámbrica. Conductores Fibra de vidrio Cables de pares trenzados Cables coaxiales

40 EL TELÉGRAFO Primer sistema de comunicación a distancia, creado por Joseph Henry y desarrollado por Samuel Morse en 1835. Transmite impulsos eléctricos largos y cortos según un código. Constaba de un pulsador y un zumbador, que posteriormente se mejoró con la impresión en papel S. Morse

41 EL TELÉFONO El problema que hubo que solventar fue la invención de un, algo que fuera capaz de convertir la voz en impulsos eléctricos para emitirlos por el cable y después transformarlos de nuevo en sonidos fonéticos al llegar al receptor. El problema que hubo que solventar fue la invención de un transductor, algo que fuera capaz de convertir la voz en impulsos eléctricos para emitirlos por el cable y después transformarlos de nuevo en sonidos fonéticos al llegar al receptor.

42 EL TELÉFONO El teléfono dispone de una membrana que vibra al recibir las ondas sonoras. Estas oscilaciones comprimen unos granitos de carbón que están en el micrófono, dejando pasar más o menos corriente en función de la presión sonora. La corriente viaja hasta el otro punto de la línea, donde un transductor (auricular) convierte las señales eléctricas en sonido, un electroimán que, al vibrar, mueve un cartoncillo circular que reproduce el sonido.

43 Comunicación inalámbrica Maxwell (S XIX) predijo la existencia de ondas de naturaleza electromagnética. Hertz construyó un equipo capaz de emitir y recibir ondas electromagnéticas. Marconi (S. XX) Logró enviar por primera vez un mensaje en Morse sin alambres. Había nacido la radio.

44 Naturaleza de las ondas electromagnéticas Las ondas electromagnéticas están formadas por la unión de un campo eléctrico y un campo magnético y se desplazan a la velocidad de la luz. Magnitudes de una onda Longitud de onda (λ): longitud de un ciclo Amplitud (A): máximo valor que alcanza la onda Frecuencia (f): número de veces que se repite un ciclo en un segundo. Hercio (Hz) = ciclo / s Período (T): tiempo en recorrer un ciclo. T= 1/f seg Velocidad de la luz (c): c = λ·1 / T= λ · f

45 El espectro electromagnético El espectro electromagnético es el conjunto de todas las ondas ordenadas teniendo en cuenta su frecuencia

46 Propagación de las ondas electromagnéticas Ondas reflejadas sobre el suelo y ondas directas. f > 30 MHz Ondas de superficie, van paralelas a tierra. f< 30 MHz Ionosfera: para 1<f<30 MHz se comporta como un espejo Para f > 30 MHz la señal atraviesa la ionosfera y los satélites devuelven la señal 400 km 50 Km

47 ¿Cómo es posible que se puedan transmitir simultáneamente distintas comunicaciones sin que se mezclen? El espacio radioeléctrico se encuentra dividido en nueve bandas de frecuencia en función de su longitud de onda. De esta forma cada canal se sitúa en una franja de frecuencia diferente. El proceso por el cual se consigue ajustar la frecuencia de un determinado canal se denomina MODULACIÓN.

48 Transmisión analógica La información se desplaza “subiéndose” encima de una señal portadora La ola = señal portadora Surfista= señal moduladora, capaz de alterar la forma de la señal portadora. El resultado es una onda modulada Modulación de amplitud: la amplitud de la señal portadora se modifica en función de la amplitud de la señal moduladora. Se indica por AM. Modulación de frecuencia: se modifica la frecuencia de la señal portadora en función de la frecuencia de la señal moduladora. Se llama FM.

49 Transmisión digital La tecnología digital ha revolucionado el mundo de las telecomunicaciones. Se precisan equipos capaces de convertir señales analógicas a digitales y viceversa. MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN DE TIEMPO (TDM): técnica que permite transmitir varios canales a través del mismo medio. Cada emisor prepara su información en forma de paquetes de un bit. En el emisor, un multiplexor envía esos paquetes de un bit. En el receptor, un demultiplexor recoge y reordena la información. MODULACIÓN DE IMPULSOS CODIFICADOS (MIC): permite la transmisión de voz

50 LA RADIO Receptor que puede captar (sintonizar) las ondas generadas por las emisoras de radio. Emisoras de onda media (AM): transmiten en el rango de frecuencias de 520 a 1605 KHz en un ancho de banda de solo 5 KHz. La calidad de la música no es óptima. Emisoras de frecuencia modulada (FM): emiten entre los 88 y 108 MHz en una ancho de banda de 15 KHz. Mejor calidad de sonido. Estéreo.

51 Receptor de radio señal electromagnética  antena  señal eléctrica

52 Comunicación vía satélite Los satélites reciben la señales terrestres, las amplifican y las emiten de forma direccionada a una estación terrestre receptora.

53 Satélites GEO, MEO, LEO GEO : Geostationary Earth Orbit (a 36.000 Km) MEO : Medium Earth Orbit (alrededor de 10.000-20.000 Km) LEO : Low Earth Orbit (alrededor de 5.000 Km, o menos) HEO :Orbitas muy elípticas (Highly Elliptical Orbit)

54 Orbitas de los Satélites

55 Satélites MEO Y LEO Los satélites MEO y LEO no están fijos con respecto a la tierra. Para mantener la sintonización, la antena lo sigue o debe haber un tren de satélites. T I E R R A

56 Área y Longitud Efectiva en una Antena. 1.Definición de antena:dispositivo que sirve para transmitir y recibir ondas de radio.ondasradio 1.Parámetros generales de una antena: –Impedancia –Eficiencia –Campos Cercanos y Lejanos –Ancho de Banda de la Antena

57 Área y longitud efectiva dependen de: características de las antenas. Una antena es un dispositivo hecho para transmitir (radiar) y recibir ondas de radio (electromagnéticas). Existen varias características importantes de una antena que deben de ser consideradas al momento de elegir una específica para su aplicación:  Patrón de radiación  Ganancia  Directividad  Polarización

58 Tipos de antenas: Hay varios tipos de antenas. Los más relevantes para aplicaciones en bandas libres son:  Antenas Dipolo  Antenas Dipolo multi-elemento  Antenas Yagi  Antenas Panel Plano (Flat Panel)  Antenas parabólicas (plato parabólico)

59 Qué es ROE: Es el fenómeno físico que se produce al existir un desacople de Impedancia entre la antena y la línea de transmisión. Este desacople se produce por múltiples causas, desde una conexión defectuosa entre la antena y el bajante (línea de transmisión) así como antenas cortas, largas en el caso de los dipolos, gamma match mal construidos o en ocasiones cuando tratamos de trabajar con antenas diseñadas para resonar en otros rangos de frecuencias

60 Cuando tenemos energía que no podemos irradiar y la misma “se refleja” (vuelve, regresa) hacia el transmisor, se evidencia físicamente en forma de temperatura elevada (en la mayoría de los casos destructiva) y eléctricamente se manifiesta con una menor entrega de potencia al aire

61 RESUMEN La teoría y leyes que rigen el electromagnetismo, es el resultado de años de estudio e investigación de muchos científicos, físicos, matemáticos, … que se resumen en las conocidas “Ecuaciones de Maxwell”…

62 Modelo de Red: Basado en todas las teorías