PROPAGACION DE SEÑALES RF Docente: Dr. Oscar Vera Ramírez CARRERA PROFESIONAL DE ELECTRONICA INDUSTRIAL INSTITUTO DE EDUCACIÓN SUPERIOR TECNOLÓGICO PÚBLICO.

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1 PROPAGACION DE SEÑALES RF Docente: Dr. Oscar Vera Ramírez CARRERA PROFESIONAL DE ELECTRONICA INDUSTRIAL INSTITUTO DE EDUCACIÓN SUPERIOR TECNOLÓGICO PÚBLICO LUIS EDUARDO VALCÁRCEL VIZCARRA COMUNICACIONES ELECTRONICAS I

2 : 2- Tipos de Transmisión:  SIMPLEX  SEMIDUPLEX  FULLDUPLEX

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11 LAS ONDAS DE RADIO

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18 CORRESPONSAL ACORRESPONSAL B ESTACION FUENTE ESTACION COLECTORA SIMPLEX CORRESPONSAL A CORRESPONSAL B ESTACION FUENTE ESTACION COLECTORA SEMIDUPLEX ESTACION COLECTORA ESTACION FUENTE Instante T Instante T+1 CORRESPONSAL ACORRESPONSAL B FUENTE COLECTORA FUENTE COLECTORA FULL-DUPLEX

19 3.1- Longitud de Onda: (λ) es la distancia en el espacio dentro de la cual la función onda se repite a sí misma, en determinado tiempo. (f) Número de ciclos por unidad de tiempo. Se mide en hertz (Hz) que es lo mismo que Seg -1 ya que es la inversa del período. "f = 1/ T " La frecuencia está íntimamente relacionada con la λ, son inversamente proporcionales, físicamente implica que si una aumenta al doble la otra se reduce a la mitad. Si se multiplican se obtiene un valor constante, esa constante es la velocidad de propagación de la luz. 3.2- Frecuencia: c = F x λ Donde: F = Frecuencia (medida en Hertz) c = Velocidad de propagación (3x10 8 m/seg.) λ = Longitud de onda (Mts.)

20 4- mW y dBm dBm es potencia expresada en dB referida a 1mW / 50 Ohms. Para convertir mW a dBm, tenemos que multiplicar por 10 el logaritmo de la potencia expresada en mW. Por ejemplo, si la potencia máxima son 100mW: 10 x log 100mW = 20 dBm

21 5- Propagación: Las ondas electro magnéticas (EM) se propagan en línea recta, excepto cuando la Tierra y su atmósfera alteran su trayectoria. Donde: h t = Altura de la antena en mts. d t = 3,61x√h t (distancia al horizonte en Kms.) d = Distancia entre antenas

22 Existen 3 tipos de propagación:  Propagación por Ondas Terrestres  Propagación por Onda Espacial  Propagación en Línea Recta (línea de vista)

23 5.1- Ondas terrestres: Una onda terrestre es una onda EM que viaja a lo largo de la superficie de la Tierra. Por lo tanto, las ondas terrestres ó de tierra, se le llaman a veces ondas superficiales.

24 Las ondas terrestres deben estar polarizadas verticalmente, pues el campo eléctrico en una onda polarizada horizontalmente sería paralelo a la superficie de la tierra y estas ondas se corto-circuitarían con la conductividad de la tierra misma. Con ondas terrestres, el campo Eléctrico induce voltajes en la superficie de la Tierra, que produce corrientes inducidas. La superficie de la tierra también tiene resistencia y pérdidas dieléctricas, por lo que las ondas terrestres se atenúan a medida que se propagan. Buenos conductores para ondas terrestres son por ejemplo, el agua salada de mar. Malos conductores por ejemplo, el desierto. Las pérdidas de ondas terrestres se acentúan con la frecuencia, por lo que generalmente se usan para transmisiones de frecuencias menores a 2Mhz (Ej. radio AM). La densidad del aire hace que el frente de onda se incline gradualmente. Con suficiente potencia, se puede propagar mas allá del horizonte.

25 Utilización, ventajas y desventajas de las ondas terrestres Se usan para comunicaciones entre barcos, y entre barcos y la tierra firme, así como en general para comunicaciones móviles marítimas. Se pueden usar con frecuencias de 15Khz a 2Mhz. Con suficiente potencia, pueden usarse para comunicar dos puntos cualquiera en el mundo. Son relativamente inmunes a los cambios atmosféricos. Requieren potencias relativamente altas Como se limitan a frecuencias ultra bajas, bajas y medianas, se necesitan antenas muy grandes para su transmisión y recepción. Las pérdidas de las ondas terrestres son muy variables, dependiendo de la superficie y su composición, lo que hace la confiabilidad y repetibilidad de la transmisión dependiente del terreno.

26 5.2- Ondas Espacial (troposféricas): Las ondas EM que se dirigen arriba del horizonte de radio, se les llama ondas troposféricas, con un ángulo relativamente grande con respecto a la superficie de la tierra.

27 Las ondas troposféricas se irradian hacia el cielo, donde la ionosfera (parte superior de la atmósfera) refleja ó refracta las ondas de cielo hacia la tierra nuevamente. Por ello, a este tipo de propagación se le conoce también como propagación ionosférica, y se localiza de 50 a 400km arriba de la superficie terrestre. Utilización, ventajas y desventajas de las ondas troposféricas: La ionosfera absorbe gran cantidad de radiación solar, lo que ioniza las moléculas de aire, creando electrones libres. La ionosfera tiene 3 capas D, E y F, que varían según su altura y la densidad de ionización, de menor a mayor, y con el horario del día. Cuando una onda RF pasa a través de la ionosfera, su campo E ejerce una fuerza sobre estos electrones libres haciéndolos vibrar. Esto produce una reducción en la corriente, que es equivalente a reducir la constante dieléctrica del aire, lo cual causa que la velocidad de propagación aumente, y cause la desviación de las ondas EM hacia las regiones de baja densidad electrónica.

28 Las ondas troposféricas se irradian hacia el cielo, a medida que las ondas se apartan más de la tierra, la ionización aumenta, pero hay menos moléculas para ser ionizadas. A mayor densidad de iones, mayor refracción. La capa D es la más cercana a la tierra y tiene poco efecto en la dirección de propagación Utilización, ventajas y desventajas de las ondas troposféricas: de las ondas RF. La ionización de la capa D desaparece de noche. Esta capa refleja ondas VLF y LF y absorbe las ondas MF y HF. La capa E está entre 100 y 140 Km. arriba de la tierra y su punto de máxima densidad es alrededor del mediodía en 70km. Casi desaparece en la noche también, y refleja las ondas de HF durante el día. Arriba de UHF, las frecuencias no están afectadas por la ionosfera debido a su pequeña longitud de onda, por lo que debe haber una frecuencia máxima de transmisión de ondas de cielo que se puedan refractar de vuelta a la tierra sin perderse. A esta frecuencia se le llama Frecuencia crítica. De forma similar, el máximo ángulo vertical de una onda tal que sea refractada de vuelta a la tierra es el Ángulo crítico

29 5.3- Propagación en línea recta: Esta propagación se refiere a la energía EM que viaja en las capas inferiores de la atmósfera terrestre. Las ondas directas incluyen tanto las ondas directamente transmitidas, como las indirectamente reflejadas.

30 Las ondas directas incluyen tanto las ondas directamente transmitidas, como las indirectamente reflejadas. La intensidad del campo eléctrico depende de la distancia entre las dos antenas, por el efecto de atenuación y absorción, y de la interferencia que pueda haber entre las ondas directas y las ondas reflejadas. Utilización, ventajas y desventajas de la propagación en línea recta: Para que que este tipo de propagación sea efectivo se necesita que entre las antenas exista una línea de visión, es decir puedan verse una a la otra

31 En el caso de que se presente un obstáculo entre las 2 antenas, es necesario colocar una estación repetidora, la cual cuenta con 2 radios conectadas “back to back” la cual se encarga de recibir la señal de la radio emisora, y transmitirla de forma “transparente” a la radio receptora, salteando asi el obstaculo y recreando una “linea de vision virtual” entre las radios emisora y receptora Utilización, ventajas y desventajas de la propagación en línea recta:

32 6- Espectro Radioeléctrico SIGLADENOMINACIÓN LONGITUD DE ONDA GAMA DE FRECUENC. CARACTERISTICASUSO TIPICO VLF VERY LOW FRECUENCIES Frecuencias muy bajas 30.000 m a 10.000 m 10 KHz a 30 KHz Propagación por onda de tierra, atenuación débil. Características estables. ENLACES DE RADIO A GRAN DISTANCIA LF LOW FRECUENCIES Frecuencias bajas 10.000 m. a 1.000 m. 30 KHz a 300 KHz Similar a la anterior, pero de características menos estables. Enlaces de radio a gran distancia, ayuda a la navegación aérea y marítima. MF MEDIUM FRECUENCIES Frecuencias medias 1.000 m. a 100 m. 300 KHz a 3 MHz Similar a la precedente pero con una absorción elevada durante el día. Propagación prevalentemente Ionosférica durante le noche. RADIODIFUSIÓN HF HIGH FRECUENCIES Frecuencias altas 100 m. a l0 m. 3 MHz a 30 MHz Propagación prevalentemente Ionosferica con fuertes variaciones estacionales y en las diferentes horas del día y de la noche. COMUNICACIONES DE TODO TIPO A MEDIA Y LARGA DISTANCIA VHF VERY HIGH FRECUENCIES Frecuencias muy altas 10 m. a 1 m. 30 MHz a 300 MHz Prevalentemente propagación directa, esporádicamente propagación Ionosférica o Troposferica. Enlaces de radio a corta distancia, TELEVISIÓN, FRECUENCIA MODULADA UHF ULTRA HIGH FRECUENCIES Frecuencias ultra altas 1 m. a 10 cm. de 300 MHz a 3 GHz Exclusivamente propagación directa, posibilidad de enlaces por reflexión o a través de satélites artificiales. Enlaces de radio, Radar, Ayuda a la navegación aérea, TELEVISIÓN SHF SUPER HIGH FRECUENCIES Frecuencias superaltas 10 cm. a 1 cm. de 3 GHz a 30 GHz COMO LA PRECEDENTERadar, Enlaces de radio, Satélites EHF EXTRA HIGH FRECUENCIES Frecuencias extra-altas 1 cm. a 1 mm. 30 GHz a 300 GHz COMO LA PRECEDENTERadar, infrarrojo

33 Mástil y antenas Duplexores Cable Coaxil Conectores Protector Gaseoso Equipo de radio Fuentes de energía Baterías Recinto y gabinete

34 7.1- Antenas: 7.1.1- Tipos: Omnidireccionales Omnidireccionales: Formación de dipolos

35 7.1- Antenas: 7.1.2- Tipos: Direccionales Direccionales: Yagi Parábola Diedro

36 7.1- Antenas: Rango de frecuencia Ancho de banda Ganancia Diagrama de radiación Potencia de RF admisible Dimensiones Físicas Material Tipo de montaje

37 Formación de dipolos vs. Direccional Parábola Diedro

38 7.2- Duplexores: Frecuencia de trabajo Ancho de banda Atenuación Perdida de inserción Dimensiones físicas

39 7.3- Cable Coaxil: Tipo Longitud Atenuación por metro Frecuencia de operación Impedancia característica Material Dieléctrico

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42 7.3.3- Especificaciones

43 7.4- Conectores: Tipo Pérdida en función de la frecuencia Armado

44 7.5- Protector gaseoso: Ancho de banda Conectores Montaje

45 7.6- Equipos de radio: 7.6.1- Características Frecuencia Ancho de banda Tipo de modulación Homologación Dimensiones físicas y peso Rangos de temperatura y humedad Gabinete

46 7.6.2- Spread Spectrum Técnicas: -Frecuency Hopping -Direct Sequence Bandas: -902 a 928 Mhz -2,4 a 2,484 Ghz -5.725 a 5.825 Ghz Requerimiento de licencia: No Potencia: Menor a 1 W

47 7.6.2- Spread Spectrum Frequency Hopping - Direct Sequence

48 7.6.3- Interfase / MODEM Tipo (Asincrónica, Sincrónica, LAN, Etc.) Velocidad de transmisión Velocidad de recepción Modos y normas (RS-232, V35, ETHERNET, Etc.)

49 7.6.4- Transmisores Estabilidad en frecuencia Impedancia de salida Potencia de salida Nivel de emisiones de armónicos y espúreas Tiempo de establecimiento de portadora

50 7.6.5- Receptores Estabilidad en frecuencia Impedancia de entrada Sensibilidad de entrada y Squelch Selectividad Rechazo a frecuencias espúreas

51 7.6.6- Alimentación Tensión de entrada Consumo en transmisión Consumo en recepción Protecciones

52 7.7- Fuentes de energía: Tipo: alimentación de línea, fotovoltaica, eólica, etc. Características: tensión de salida, potencia a entregar, protecciones, etc.

53 7.8- Baterías: Material del compuesto Vida útil Potencia máxima (Tensión y Corriente) Tiempo de carga Tiempo de suministro continuo

54 7.9.1- Gabinete Tamaño Material Montaje Aislamiento 7.9.2- Recinto Espacio interior Aislamiento ambiental Seguridad Transportabilidad

55 8- Cálculo de Enlace Cuando se realiza el cálculo de un enlace, en verdad, lo que se calcula es la intensidad de campo a recibir por la radio receptora, el cual debe estar dentro de los limites de sensibilidad de esta. El campo recibido es dependiente de las siguientes características del sistema: Potencia entregada por el transmisor Las ganancias de las antenas que componen el sistema La distancia de separación que exista entre las antenas La frecuencia de trabajo del sistema Para asociar todos estos factores, se planteo una formula, de la cual se puede despejar el factor necesario para el calculo.

56 8- Cálculo de Enlace Fórmula: RSSI = P out – P al1 + G ant1 – P air + G ant2 – P al1 Donde: Pout: Potencia entregada por el transmisor. Pal1: Pérdidas en el cable de antena1. Pal2: Pérdidas en el cable de antena2. Gant1: Ganancia correspondiente a la antena 1 (transmisor) Gant2: Ganancia correspondiente a la antena 2 (receptor) Pair: Perdidas en el medio. Este valor, proviene de otra formula la cual incluye los factores “frecuencia” y “distancia”. Pair : 32.4 + 20 log f (Mhz) + 20 log D (km)

57 Si uno desea comunicar equipos digitales, lo mas normal seria pensar que estos deberían comunicarse mediante señales binarias, es decir por un código de 1 o 0, representados cada uno por un valor predeterminado de tensión. Si nosotros analizamos las señales a transmitir, podemos observar que están formadas por una suma infinita de señales de distinta frecuencia (señal digital). Por otro lado, todos los medios de transmisión, poseen capacidades distribuidas e inductancias, factores que convierten a la línea en un filtro pasabajo, es decir, todo el ancho de banda de nuestra señal a transmitir, no puede viajar por el medio. Por lo tanto, se realiza una modulación y demodulación de la señal digital, transformándola en una señal analógica. Los dispositivos encargados de generar las comunicaciones son denominados DTE (Data Terminal Equipment) y los encargados de realizar la comunicación DCE (Data Comunication Equipment)

58 Para realizar entonces una comunicación entre 2 equipos de datos (DTE), son necesarios dos equipos de comunicación (DCE) para modular y demodular esa información a transmitir. Este dispositivo se conoce con el nombre de MODEM DCE (Modem) DCE (Modem) Señal digital Señal analógica Medio de transmisión. Por Ej:. Línea telefónica DTE

59 9.1- RS-232 Para realizar una comunicación entre un equipo DTE y otro DCE existen estándares como el RS-232, el cual define parámetros para “estandarizar” el formato de la comunicación. Dichos parametros incluyen: Niveles de tension maximos y minimos, Esquemas de cableado, formato de la transmision (handshaking), etc. Esquema básico del conexionado de un puerto RS-232 Pin Numero:SeñalDescripciónE/S En DB-25En DB-9 11-Masa chasis- 23TxD Transmit DataS 32RxDReceive DataE 47RTSRequest To SendS 58CTSClear To SendE 66DSRData Set ReadyE 75SGSignal Ground- 81CD/DCD(Data) Carrier DetectE 15-TxC(*)Transmit ClockS 17-RxC(*)Receive ClockE 204DTRData Terminal ReadyS 229RIRing IndicatorE 24-RTxC(*) Transmit/Receive Clock S Conector DB-25 Conector DB-9

60 Entre dos dispositivos conectados bajo el estándar 232 se realiza un proceso denominado “HandShake” el cual permite organizar la comunicacion. Para esto se utilizan las lineas Clear To Send (CTS) y Request To Send (RTS), Estas señales son manejadas por los 2 equipos, para asi poder determinar en que momento transmitir sus datos. La PC pide “permiso” (RTS) al modem para poder transmitir, mientras que este le devuelve (CTS) cuando la transmision es posible. De la misma manera, el modem receptor detecta que se le estan enviando datos, comunicandoselo a la PC receptora mediante (DCD), la cual se pone a la espera de la informacion entrante. A continuación se observa un diagrama temporal del proceso “HANDSHAKING” para su mejor comprension.

61 DCE (Modem) DTE RTS TxD Puerto RS-232 Sentido de las señales dentro del puerto en una comunicación entre un equipo terminal (DTE) y un equipo comunicador (DCE) DCE (Modem) Puerto RS-232 DTE CTS DCD RxD

62 El modem avisa a la PC que no esta listo para transmitir y queda a la espera de la orden RTS y esperando portadora. El modem receptor detecta la caída de la portadora La PC no desea seguir transmitiendo y se mantiene la portadora un poco mas para evitar ruidos en la transmisión Se completa el envió del paquete de datos que generalmente se identifica con un bit de stop La PC envía al modem todos los datos, estos son recibidos por su par, y enviados a la 2 da PC El modem estableció la portadora estando listo para transmitir avisando mediante CTS La radio receptora detecta portadora y espera los datos La PC desea transmitir datos, avisándole al modem mediante la señal RTS Diagrama temporal del proceso de handshaking t MODEM RxD MODEM CTS PC RTS PC TxD MODEM RxD MODEM DCD 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1

63 1- Objetivos:  Conocer y comprender principios básicos de comunicaciones  Poder realizar la configuración básica de sistemas  Capacitarse para la detección primaria de fallas

64  Proceso de transformar información de su forma original a una forma mas adecuada para su transmisión. Referencia: Stremler, Ferrel.Sistemas de Comunicación. Alfaomega. 1989

65  DEMODULACIÓN  DEMODULACIÓN es el proceso inverso. Referencia: Stremler, Ferrel.Sistemas de Comunicación. Alfaomega. 1989  La modulacion se realiza en el transmisor del circuito llamado modulador, la demodulacion se realiza en el receptor del circuito llamado demodulador.

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69 La modulación de amplitud en cuadratura 1 ​ o QAM (acrónimo de Quadrature Amplitude Modulation, por sus siglas en inglés) es una técnica que transporta dos señales independientes, mediante la modulacion, tanto en amplitud como en fase,de una señal portadora. 2 ​Esto se consigue modulando una misma portadora, desfasada en 90°. 1 2

70  Modulación por ancho de pulso (PWM) La modulación por ancho o de pulso (o en inglés pulse width modulation PWM) es un tipo de señal de voltaje utilizada para enviar información o para modificar la cantidad de energía que se envía a una carga. Este tipo de señales es muy utilizada en circuitos digitales que necesitan emular una señal analógica.

71  Modulación por amplitud de pulso (PAM) La modulación por amplitud de pulsos o, por sus siglas en inglés, modulación PAM (pulse-amplitude modulation) es una técnica de modulacionde señales analógicas donde el desfase y la frecuencia de la señal quedan fijas y la amplitud es la que varía

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73 Salidas Analógicas. PWM  Arduino Uno,no tiene salidas analógicas puras y para solucionar esto, usa la técnica de PWM.  Algunos pines digitales pueden usarse como salidas analógicas PWM:

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75  Leer el voltaje a la salida de un potenciómetro y sacarlo por consola. Conectar el potenciómetro en la entrada analógica A0, leer su valor e iluminar el LED en función del valor leído de forma proporcional mediante una salida analógica PWM.  Sacar por el serial plotter los valores de la entrada analógica, el valor en voltios y el valor aplicado al PWM.  Los valores de la lectura de la entrada analógica van de 0 para 0V hasta 1023 para 5V.  Los valores de la salida PWM van desde 0 para 0V hasta 255 para 5V.  Esquema de conexión:

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77 Técnica de modulación de señal portadora digital con información analógica A) AM B) PWM C) FSK

78  Stremler, Ferrel.Sistemas de Comunicación. Alfaomega. 1989  3. Herrera Pérez Enrique. Introducción a las Telecomunicaciones Modernas. Limusa. 2001  https://aprendiendoarduino.wordpress.com/ category/pwm ◦ Gracias…