TEMA 2: Fundamentos de la Tecnología Inal á mbrica Profesora María Elena Villapol

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1 TEMA 2: Fundamentos de la Tecnología Inal á mbrica Profesora María Elena Villapol mvillap@ciens.ucv.ve

2 Conceptos Básicos  Radio Frequency (RF) o Tecnología Inalámbrica: Incluye la generación, manejo, transmisión y recepción de ondas de radio.Incluye la generación, manejo, transmisión y recepción de ondas de radio. Y su uso para transmitir información.Y su uso para transmitir información. “Cualquier cosa relacionado a señales electromagnéticas”.“Cualquier cosa relacionado a señales electromagnéticas”.  Las señales electromagnéticas o señales RF se caracterizan por: Frecuencia.Frecuencia. Amplitud.Amplitud.

3 Conceptos Básicos  Señal sinusoidal Es una forma de onda que se representa mediante una serie de ondas seno o coseno.Es una forma de onda que se representa mediante una serie de ondas seno o coseno.  Amplitud pico (A) Máxima fuerza de la señalMáxima fuerza de la señal  Frecuencia (f) Tasa de cambio de la señalTasa de cambio de la señal Hertz (Hz) o ciclos por segundoHertz (Hz) o ciclos por segundo Período = tiempo de una repetición (T)Período = tiempo de una repetición (T)  T = 1/f  Fase () Posición relativa en el tiempoPosición relativa en el tiempo  Por ejemplo, se puede escribir como S(t) = A sen (2ft + )

4 Conceptos Básicos

5 Análisis Espectral Dominio del tiempo y de la frecuencia

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7 Conceptos Básicos  Bandas de frecuencias: especifican un determinado rango de frecuencias.  Algunas bandas de uso frecuente son: HF High Frequency 3 MHz - 30 MHzHF High Frequency 3 MHz - 30 MHz VHF Very High Frequency 30 MHz - 300 MHzVHF Very High Frequency 30 MHz - 300 MHz UHF Ultra High Frequency 300 MHz - 3 GHzUHF Ultra High Frequency 300 MHz - 3 GHz SHF Super High Frequency 3 GHz - 30 GHzSHF Super High Frequency 3 GHz - 30 GHz EHF Extra High Frequency 30 GHz - 300 GHzEHF Extra High Frequency 30 GHz - 300 GHz

8 Conceptos Básicos  Rango Microonda: L banda 1GHz - 2 GHzL banda 1GHz - 2 GHz S banda 2GHz - 4GHzS banda 2GHz - 4GHz C banda 4GHz - 8GHzC banda 4GHz - 8GHz X banda 8GHz - 12GHzX banda 8GHz - 12GHz Ku banda 12GHz - 18GHzKu banda 12GHz - 18GHz K banda 18GHz - 27GHzK banda 18GHz - 27GHz Ka banda 27GHz - 40GHzKa banda 27GHz - 40GHz  Bandas ISM (Industrial, Scientific and Medical) (ver ITU-T S5.138 S5.150) – bandas no licenciadas: “900MHz” ISM banda 902MHz - 928MHz (Americas only)“900MHz” ISM banda 902MHz - 928MHz (Americas only) “2.4GHz” ISM banda 2400MHz - 2483.5MHz“2.4GHz” ISM banda 2400MHz - 2483.5MHz ”5GHz” ISM banda 5725MHz - 5875MHz”5GHz” ISM banda 5725MHz - 5875MHz

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11 Conceptos Básicos  Ancho de banda Usualmente usado para expresar la cantidad de información transportada en cierto tiempo.Usualmente usado para expresar la cantidad de información transportada en cierto tiempo. Una definición más especifica:Una definición más especifica: Ancho del rango de frecuencias que una señal eléctrica ocupa.Ancho del rango de frecuencias que una señal eléctrica ocupa. Se expresa como la diferencia entre el componente de la señal de más alta frecuencia y el de menor frecuencia.Se expresa como la diferencia entre el componente de la señal de más alta frecuencia y el de menor frecuencia. Por ejemplo:Por ejemplo:  Transmisión de voz tiene aprox. 3kHz.  Radio FM tiene 200 kHz.  TV tiene 6 MHz.

12 Conceptos Básicos  La velocidad de transmisión en bit/s es proporcional al ancho de banda disponible.  El factor de proporcionalidad depende de la eficiencia del método de modulación empleado.

13 Conceptos Básicos  Cantidad de Información. Si el número de niveles o estados de una señal es M, la cantidad de información asociada es I= log 2 MI= log 2 M  Velocidad de Información. Si cada impulso de señal posee M estados o niveles,y se transmite en un tiempo Tb, la velocidad de información es Vi= I/Tb = log 2 M/TbVi= I/Tb = log 2 M/Tb  Velocidad de Modulación. Es la cantidad de estados o niveles que se transmiten en un segundo. Si la duración del estado es Tb, la velocidad de modulación es Vb = 1/Tb baudiosVb = 1/Tb baudios Vi = Vb log 2 M bits/s (bps)Vi = Vb log 2 M bits/s (bps)

14 Conceptos Básicos  Capacidad del Canal: Cantidad de información que se puede transmitir por unidad de tiempo, expresada en bpsCantidad de información que se puede transmitir por unidad de tiempo, expresada en bps  C = B log 2 (1 + S/N) A menudos e confunde con el ancho de banda y la velocidad de transmisión.A menudos e confunde con el ancho de banda y la velocidad de transmisión.

15 Conceptos Básicos  Longitud de onda: Distancia ocupada por un ciclo.Distancia ocupada por un ciclo. Distancia entre dos puntos que tienen fase correspondiente en dos ciclos consecutivos.Distancia entre dos puntos que tienen fase correspondiente en dos ciclos consecutivos. Asumiendo que la velocidad de la señal es vAsumiendo que la velocidad de la señal es v = vT = vT = v/f = v/f Un caso particular es cuando v=c = 3*10 8 m/s (velocidad de la luz en el espacio libre)Un caso particular es cuando v=c = 3*10 8 m/s (velocidad de la luz en el espacio libre)

16 Conceptos Básicos  La potencia de una señal es medida en Watts (W).  El decibelio (dB) es una expresión logarítmica que mide el radio entre la potencia, voltaje o corriente de dos señales. PdB = 10 Log 10 (P 2 /P 1 )PdB = 10 Log 10 (P 2 /P 1 ) P 1 potencia señal 1P 1 potencia señal 1 P 2 potencia señal 2P 2 potencia señal 2  Cuando la cantidad en decibelios es positiva entonces hablamos de ganancia.  Caso contrario es un pérdida.

17 Conceptos Básicos IncrementoFactorDecrementoFactor 0 dB 1 x 0 dB 1 x 1 dB 1.25 x -1 dB 0.8 x 3 dB 2 x -3 dB 0.5 x 6 dB 4 x -6 dB 0.25 x 10 dB 10 x -10 dB 0.10 x 12 dB 16 x -12 dB 0.06 x 20 dB 100 x -20 dB 0.01 x 30 dB 1000 x -30 dB 0.001 x 40 dB 10,000 x -40 dB 0.0001 x

18 Decibelios dBm  dBm usualmente usado en WLANs.  PdBm = 10 log 10 (P WATTS /1mW) 1mW = 0,001 Watts1mW = 0,001 Watts

19 Decibelios dBm dBmmWdBmmW 0 dBm 1 mW 0 dBm 1 mW 1 dBm 1.25 mW -1 dBm 0.8 mW 3 dBm 2 mW -3 dBm 0.5 mW 6 dBm 4 mW -6 dBm 0.25 mW 7 dBm 5 mW -7 dBm 0.20 mW 10 dBm 10 mW -10 dBm 0.10 mW 12 dBm 16 mW -12 dBm 0.06 mW 13 dBm 20 mW -13 dBm 0.05 mW 15 dBm 32 mW -15 dBm 0.03 mW 17 dBm 50 mW -17 dBm 0.02 mw 20 dBm 100 mW -20 dBm 0.01 mW 30 dBm 1000 m W(1 W) -30 dBm 0,001 mW 40 dBm 10,000 mW (10 W) -40 dBm 0,0001 mW

20 Antenas  Dispositivo usado para transformar una señal RF, viajando sobre un conductor, en una onda electromagnética en el espacio libre.  Reciprocidad: se refiere al hecho que una antena conserva sus mismas características sin importar que este trasmitiendo o recibiendo.

21 Antenas  Ancho de banda: Rango de frecuencias sobre el cual la antena puede operar.Rango de frecuencias sobre el cual la antena puede operar.  Directividad (Directivity): Habilidad de una antena de enfocar la energía en una dirección en particular cuando transmite o de recibir energía mejor de una dirección particular cuando esta recibiendo.Habilidad de una antena de enfocar la energía en una dirección en particular cuando transmite o de recibir energía mejor de una dirección particular cuando esta recibiendo.

22 Antenas  Patrón de radiación: Distribución relativa de la potencia radiada en el espacio.Distribución relativa de la potencia radiada en el espacio. Una gráfica de la intensidad de campo emitido en función del ángulo a partir de la dirección de máxima emisión.Una gráfica de la intensidad de campo emitido en función del ángulo a partir de la dirección de máxima emisión.

23 Antenas

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25 Antenas: Patrón de Radiación Tridimensional

26 Antenas  Ancho del Haz (beamwidth): Conocido también como mitad de la potencia del ancho del rayo.Conocido también como mitad de la potencia del ancho del rayo. El ángulo que subtienden los dos puntos sobre el lóbulo principal del patrón de potencia del campo al cual la potencia pico del mismo se reduce en 3 dB.El ángulo que subtienden los dos puntos sobre el lóbulo principal del patrón de potencia del campo al cual la potencia pico del mismo se reduce en 3 dB. Se busca la intensidad de la radiación pico y los puntos a ambos lados del pico que representan la mitad de la potencia de la intensidad pico.Se busca la intensidad de la radiación pico y los puntos a ambos lados del pico que representan la mitad de la potencia de la intensidad pico.

27 Antenas  Polarización: dirección del campo eléctrico emitido por una antena.  Puede ser: VerticalVertical HorizontalHorizontal ElípticaElíptica CircularCircular

28 Antenas

29 Antenas

30 Tipos de Antenas  Antena isotr ó pica (ideal) Radia potencia en todas las direcciones por igual.Radia potencia en todas las direcciones por igual. Produce un campo electromagn é tico ú til en todas las direcciones con igual intensidad y 100% de eficienciaProduce un campo electromagn é tico ú til en todas las direcciones con igual intensidad y 100% de eficiencia

31 Tipos de Antenas  Antenas dipolo Antena “ Half-wave dipole ” (o antena Hertz).Antena “ Half-wave dipole ” (o antena Hertz). Antena “ Quarter-wave vertical ” (o antena Marconi).Antena “ Quarter-wave vertical ” (o antena Marconi).

32 Antena Half-Wave Dipole  La antena más corta que puede ser usada para radiar señales en el espacio libre.  Está formada por un conductor eléctrico recto.  Este mide ½ la longitud de onda.  Es una de las antenas más simples.

33 Antena Quarter-Wave Dipole  Es un cuarto de la longitud de onda de la frecuencia transmitida o recibida.  También conocida como antena Marconi.  Es una antena que necesita estar en contacto directo con tierra para poder tener las características de una antena half wave dipolo.

34 Antena Quarter-Wave Dipole  La radiación esta compuesta por: Señal radiada por la antena.Señal radiada por la antena. Reflexión de la tierra (llamada imagen espejo).Reflexión de la tierra (llamada imagen espejo).  Otro método de obtener imágenes reflejadas es a través del uso de planos a tierra.

35 Tipos de Antena  Según la frecuencia y el tamaño: Los tipos de antena varían de acuerdo a las bandas de frecuencias donde se vayan a utilizar.Los tipos de antena varían de acuerdo a las bandas de frecuencias donde se vayan a utilizar. El tamaño de la antena varía también de acuerdo a la longitud de onda en las diferentes frecuencias.El tamaño de la antena varía también de acuerdo a la longitud de onda en las diferentes frecuencias.

36 Tipos de Antena  Directividad: Omnidireccionales:Omnidireccionales:  Radian el mismo patrón alrededor de la antena en un patrón completo de 360 grados.  Tipo dipolo  Plano a tierra Antena Omni Direccional de 2.4 GHz.

37 Tipos de Antena Sectorial:Sectorial:  Radia primariamente en una área específica  El rayo puede oscilar entre 180 grados o ser tan delgado como 60 grados. DireccionalesDireccionales  El ancho del rayo es mas angosto que las anteriores.  Tienen mayor ganancia y por lo tanto se usan en largas distancias. YagiYagi BiquadBiquad HornHorn HelicoidalHelicoidal Antena de panelAntena de panel Disco parabólicoDisco parabólico Antena sectorial Antena Direccional 2.4 GHz

38 Tipos de Antena: Antena Yagi- UDA  1 Reflector  Directores: 1 director = 8dBi 15 directores = 14 dBi

39 Tipos de Antena: Antena Yagi- UDA

40 Tipos de Antena:Antena de Patch o Plana

41 Tipos de Antena:Antena Parabólica  El reflector Parabólico enfoca la señal Puede ser sólido o grillado 25 cm -15dBi 1 m X 50 cm -24 dBi 1 m sol -27 dBi 2m sol -31 dBi 3m sol -37 dBi

42 Tipos de Antena: Reciclaje de un Reflector Parabólico  Transceptor colocado en el foco de la parábola.  Puede alcanzar unos 10 km.  Es fácil de construir y de bajo costo.  Se puede utilizar en el interior.

43 Tipos de Antena: Antena Parabólica con Reflectores Grillados

44 Tipos de Antena: Antena Guía- Onda o “Cantenna”  Tubo metálico tapado en un extremo dotado de un elemento activo de ¼ λ (= 12 cm a 2,4 GHz).  El diámetro debe ser tal que se pueda propagar el modo fundamental pero se atenúen los modos superiores.  En 2,4 GHz esto significa que el diámetro debe ser mayor que 73 mm y preferiblemente menor que 95 mm.  La longitud no es crítica, idealmente > 2 λ.

45 Tipos de Antena: Antena Guía- Onda o “Cantenna”  Dentro de la guía se forma una onda estacionaria, que tiene un nulo en el fondo del tubo.  El elemento activo debe posicionarse en un máximo de la onda estacionaria, el cual ocurre a ¼ λg.  λg es la longitud de onda de la onda estacionaria dentro de la guía.

46 Tipos de Antena: Antena Guía- Onda o “Cantenna”  La longitud de onda de corte depende del diámetro de la guía: λc= 1,706 D.  La longitud de onda en el vacío es λ= c/f, con c = 300.000 km/s.  (1/ λ) 2 = (1/ λc) 2 + (1/ λg) 2.  De donde: λg = ( (1/ λ) 2 - (1/ λc) 2 ) -1/2 o también:

47 Tipos de Antena: Antena Guía- Onda o “Cantenna”  Para la frecuencia de 2,42 GHz, λ = 124 mm, λ/4 = 31 mm

48 Tipos de Antena: Antena Guía- Onda o “Cantenna”  Con una lata de D = 100 mm, λc = 170,6 mm λg = (1/(124)2 – 1/(170,6)2)-1/2 λg = 180,5 mm, λg/4 = 45 mm

49 Ganancia de una Antena  Ganancia de la antena Potencia de salida, en una direcci ó n particular, comparada con aquel producido por una antena omnidireccional (isotr ó pica).Potencia de salida, en una direcci ó n particular, comparada con aquel producido por una antena omnidireccional (isotr ó pica).  Á rea efectiva Relacionada al tama ñ o y forma de una antenaRelacionada al tama ñ o y forma de una antena  G = ganancia de la antena  A e = á rea efectiva  f = frecuencia portadora  c = velocidad de la luz (3 * 10 8 m/s)  = longitud de la onda portadora

50 Ganancia de una Antena  dBi es usado para definir la ganancia de un sistema de antena relativo a una antena isotrópica.

51 Modos de Propagación  La manera en que viaja una onda depende de la frecuencia de la misma.  Hay tres forma básicas: Ondas de TierraOndas de Tierra Ondas del CieloOndas del Cielo Línea de VistaLínea de Vista

52 Modos de Propagación: Ondas de Tierra  Las señales siguen el contorno de la tierra.  Pueden propagarse a grandes distancias.  Se encuentra en ondas de hasta aprox 2 MHz.  Eg AM radio.

53 Modos de Propagación: Ondas de Cielo  Las señales son reflejadas desde la capa superior de la ionosfera de regreso a la tierra.  La reflexión es causada por la refracción.  Ondas con estas características están ubicadas en approx. 3 a 30 MHz.  Eg radio amateur.

54 Modos de Propagaci ó n: L í nea de Vista  L í nea de vista (line- of-sight LOS)  Las antenas receptoras y transmisoras deben estar en la l í nea de vista. Comunicaci ó n por sat é lite – las se ñ ales por encima de 30 MHz no son reflejada por ionosfera.Comunicaci ó n por sat é lite – las se ñ ales por encima de 30 MHz no son reflejada por ionosfera. Comunicaci ó n terrestre – las antenas deben estar dentro de la l í nea de vista efectiva de cada una, porque las ondas son refractadas por la atm ó sfera.Comunicaci ó n terrestre – las antenas deben estar dentro de la l í nea de vista efectiva de cada una, porque las ondas son refractadas por la atm ó sfera.

55 Radio de la Línea de Vista  L í nea de vista ó ptica  L í nea de vista efectiva o de radio d = distancia entre las antenas y el horizonte (km)d = distancia entre las antenas y el horizonte (km) h = altura de la antena (m)h = altura de la antena (m) K = factor de adaptaci ó n para tomar en cuenta refracci ó n K = 4/3 (regla de dedo)K = factor de adaptaci ó n para tomar en cuenta refracci ó n K = 4/3 (regla de dedo)

56 Radio de la Línea de Vista  M á xima distancia entre las antenas para la propagaci ó n LOS:  h 1 = altura antena uno  h 2 = altura antena dos

57 Antenas: Conectores  Conector N: Tipo rosca.Tipo rosca. Habitual en antenas de 2,4 GHz.Habitual en antenas de 2,4 GHz.  Conector BNC: Tipo bayoneta.Tipo bayoneta. Bueno para bajas frecuencias.Bueno para bajas frecuencias.  Conector TNC: Similar al anterior pero roscado. Utilizado en telefonía celular. Utilizado en muy altas frecuencias.

58 Antenas: Conectores  Conector SMA: Roscado.Roscado. Pequeño.Pequeño. Uso interior.Uso interior. Baja pérdida.Baja pérdida.  Conector MC Card: Son conectores miniatura usados en microndas Usado, especialmente en las tarjetas PC Cards (PCMCIA) de fabricantes copmo: Apple, Avaya, Buffalo, Compaq, Dell, Enterasys, IBM yOrinoco. No tiene rosca Esta dotado de un pin central.

59 Antenas: Conectores  Conector MMCX: Conector microminiatura.Conector microminiatura. Usado por fabricantes como: Cisco, Microtik, Samsung y Zcom.Usado por fabricantes como: Cisco, Microtik, Samsung y Zcom. No tiene rosca y esta dotado de un pin central.No tiene rosca y esta dotado de un pin central.  Ver http://www.hyperlinktech.com/web/conne ctors.php para una buena referencia de tipos de conectores y su utilización. http://www.hyperlinktech.com/web/conne ctors.php http://www.hyperlinktech.com/web/conne ctors.php

60 Antenas: Cables  Usados para conectar una antena con el radio.

61 Atenuación de cables coaxiales de uso frecuente en dB/ 100 ft y (dB/ 100 m)

62 Atenuación de cables coaxiales de uso frecuente en dB/ 100 ft y (dB/ 100 m)

63 Antenas: Cables - PigTail  Usado para conectar la antena (con un conector N) al equipo inalámbrico (con conector distinto).