Capítulo 3 Ruido e interferencias electromagnéticas en el radar de

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Capítulo 3
Ruido e interferencias electromagnéticas en el radar de Piura
3.1
Introducción1
Una interferencia electromagnética (EMI, del inglés Electro Magnetic Interference) es
cualquier señal o emisión, radiada al espacio o conducida a través de un cable de
alimentación o a través de una línea que conduce otra señal; que obstruye o interrumpe de
forma repetida un servicio de comunicaciones o que incluso que puede llegar a poner en
peligro el funcionamiento de un servicio de radiocomunicación.
Los servicios de radiocomunicaciones incluyen, entre otros, emisoras comerciales de
AM/FM, televisión, servicios de telefonía móvil, radar, control de tráfico aéreo,
buscapersonas y servicios de comunicación personal (PCS, del inglés Personal
Communication Services).
Estos servicios autorizados, junto con emisores no
intencionados como dispositivos digitales, incluidos los sistemas computacionales,
contribuyen al entorno electromagnético dentro del cual pueden interferirse unos con otros.
Las microondas y las radiofrecuencias son radiaciones electromagnéticas que pertenecen a
la categoría de radiaciones no ionizantes. Estas son usadas y emitidas por aparatos
eléctricos, electrónicos, los utilizados en radiocomunicaciones (inclusive vía satélite),
emisiones de TV, radio AM-FM, radares, etc. En cambio las radiaciones ionizantes son
aquellas que al interactuar con la materia la ionizan, es decir, descomponen la materia
1
http://www.cricyt.edu.ar/enciclopedia/terminos/RadioyMicro.htm
40
produciendo átomos y/o restos de moléculas con carga eléctrica (iones). Las radiaciones
no ionizantes carecen de la energía suficiente para producir ionización.
Tabla 3.1. Espectro electromagnético con sus longitudes de onda y frecuencias
Denominación
Longitud de onda
(m)
Frecuencia
(Hz)
Rayos gamma
Rayos X
Ultravioleta Extremo
Ultravioleta Cercano
Luz Visible
Infrarrojo Cercano
Infrarrojo Medio
Infrarrojo Lejano / submilimétrico
Microondas
Ultra Alta Frecuencia Radio
Muy Alta Frecuencia Radio
Onda corta Radio
Onda Media (AM) Radio
Onda Larga Radio
Muy Baja Frecuencia Radio
< 10 pm
< 10 nm
< 200 nm
< 380 nm
< 780 nm
< 2.5 um
<50 um
< 1 mm
< 30 cm
<1m
< 10 m
< 180 m
< 650 m
< 10 km
> 10 km
> 30.0 EHz
> 30.0 PHz
> 1.5 PHz
> 789 THz
> 384 THz
> 120 THz
> 6.00 THz
> 300 GHz
> 1 GHz
> 300 MHz
> 30 MHz
> 1.7 MHz
> 650 kHz
> 30 kHz
< 30 kHz
Dentro del espectro electromagnético la banda de las radiofrecuencias (que incluyen a las
microondas) ocupan gran parte del espectro, ya que oscilan aproximadamente entre 10 kHz
(longitud de onda de 3 Km.) y 300 GHz (longitud de onda de 1 mm). Las aplicaciones de
radiofrecuencia son múltiples y algunos ejemplos de ello son:
•
Comunicaciones:
Radionavegación
Radiodifusión AM y FM
Televisión
Radionavegación aérea
Radioaficionados
•
Industria Metalúrgica:
Templado de metales
Soldaduras
•
Industria Alimenticia:
Esterilización de alimentos
•
Medicina:
Diatermia
41
3.2
Suciedad electromagnética de los cables
No solo el espacio radioeléctrico está lleno de ondas de radio en constante peligro de
interferencia para cualquier sistema de radiocomunicación, también lo está el tendido
eléctrico.
Este es un problema de aislamiento, ya que si comparamos un cable eléctrico con un cable
de antena de televisión nos daremos cuenta que el primero sólo está recubierto de plástico
y en cambio el cable de antena tiene varias capas de plástico y una malla metálica
intermedia que lo aísla de posibles interferencias.
Cualquier línea conductora es, por definición, una antena. Eso quiere decir que cualquier
instalación eléctrica actúa como tal, y es muy sensible a las interferencias que se produzcan
en las frecuencias de transmisión de datos, alrededor de los 30 MHz.
La red eléctrica no está protegida contra las ondas de radio, pero tampoco contra el ruido
electromagnético que puede introducir algún artefacto eléctrico como una afeitadora, la
televisión o una computadora. Todos estos aparatos se protegen a sí mismos de la
interferencia que pueda venir en la línea eléctrica (como una subida de tensión) con filtros
y fusibles, pero casi nunca se considera la que estos pueden verter en ella.
Estos problemas de interferencia se traducen en gastos, a veces elevados, pues para filtrar y
limpiar las líneas hacen falta equipos costosos, y aún así siempre hay un equilibrio entre la
velocidad y el aislamiento. Cuanto más se filtre la línea, más difícil es transmitir a altas
velocidades. Otra desventaja importante son las interferencias que puedan producir otros
aparatos conectados a la red eléctrica, en ese caso hay que detectarlos para aislarlos
mediante un filtro.
3.3
Fuentes internas y externas de ruidos e interferencias en el radar de Piura
El radar atmosférico de la Universidad de Piura se ve afectado tanto por fuentes externas
así como por fuentes internas de ruido e interferencias. Dentro de las fuentes internas
consideraremos a aquellos equipos y/o artefactos propios de la estación del radar usados
para las mediciones que hace este sistema. Consideraremos como posibles fuentes
externas de ruido a todas aquellas que provienen de equipos que no pertenecen a la
estación del radar y que se filtran a través de diferentes líneas.
A continuación se muestra una lista con las posibles fuentes de ruido e interferencias, tanto
internas como externas.
•
-
Internas
•
-
Externas
Otros sistemas de detección (MEDAC, BLTR)
Equipos y artefactos (PC’s, aires acondicionados)
Equipos del mismo sistema (transmisores, receptores, sistema de control)
Línea eléctrica
42
-
Puesta a tierra
Sistemas de Radiofrecuencia externos (Sistema de Radio de UDEP,
telefonía móvil, radio y TV de la ciudad)
Métodos para eliminar interferencias2
3.4
Las interferencias entre circuitos electrónicos pueden ser eliminadas o al menos reducidas
mediante la instalación de algunos dispositivos electrónicos o conexiones. Los principales
métodos disponibles para combatir interferencia se listan a continuación:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Blindaje
Aterramiento
Balanceo
Filtrado
Aislamiento
Separación y orientación
Control del nivel de impedancia del circuito
Diseño de cables
Técnicas de cancelación
A pesar de todos estos métodos disponibles, se debe recordar que el ruido usualmente no
puede ser eliminado totalmente; sólo puede minimizarse hasta el punto donde no causa
más interferencia.
En todos los casos con excepción de los más simples, puede que no exista una solución
única para el problema de reducción de ruido. Generalmente dos o más variables están
involucradas y es necesario lograr un equilibrio para obtener una solución óptima.
3.5
Compatibilidad Electromagnética3
Compatibilidad Electromagnética (EMC, del inglés Electro Magnetic Compatibility) es la
habilidad de un sistema electrónico de (1) funcionar correctamente en el ambiente
electromagnético en el que se ha previsto que trabaje, y (2) de no ser fuente de
contaminación de ese ambiente. El ambiente electromagnético está compuesto por la
energía radiada y la energía conducida. Por tanto la EMC tiene dos aspectos, emisión y
susceptibilidad.
Susceptibilidad es la capacidad de un dispositivo o circuito de responder a los efectos de la
energía eléctrica no deseada (por ejemplo ruido). El nivel de susceptibilidad de un circuito
o dispositivo es el ambiente ruidoso en el cual el equipo puede operar satisfactoriamente,
sin degradación, y con un margen de seguridad definido. El opuesto a la susceptibilidad es
la inmunidad. La dificultad en determinar los niveles de inmunidad (o susceptibilidad) está
en lograr definir lo que es considerado como una degradación en el rendimiento.
2
3
Michel Mardiguian, "EMI Trouble shooting Techniques"
Michel Mardiguian, "EMI Trouble shooting Techniques"
43
La emisión hace referencia a la diferencia de potencial que un artefacto puede provocar o
inducir, que es la causa de la interferencia. El propósito de controlar las emisiones es
limitar la energía electromagnética emitida, y de esta manera controlar el ambiente
electromagnético en el cual otros productos deben operar. Controlando la emisión de un
producto (o artefacto) se puede eliminar un problema de interferencia que afecte a muchos
otros. Entonces lo que se busca es controlar la emisión en un intento de producir un
ambiente electromagnéticamente compatible.
3.6
Pruebas de compatibilidad electromagnética en el contenedor del radar
El día 10 de febrero del 2005 se hicieron pruebas en el sistema radar atmosférico para
tratar de conocer las posibles fuentes del ruido presente en las mediciones del viento de
altura que hace el radar. Se logró determinar que la PC COMM, ubicada al lado de la PC
MST que procesa las señales del radar, interfiere a la señal recibida causando que en el
reporte del perfil de vientos aparezca un ruido a todas las alturas. Además se comprobó
que el ruido era ocasionado por el CPU y no por el monitor de la PC ya que apagando el
monitor el ruido permanecía.
El día 11 de febrero del 2005 (día 42 del 2005) desde las 11:00 a.m. hasta las 11:30 a.m.
aproximadamente (desde 16:00 hasta 16:30 UT) se repitieron las pruebas del día anterior,
volviendo a comprobar que la interferencia era ocasionada por la PC COMM. Luego se
decidió conectar mediante una extensión la PC COMM al contenedor del laboratorio de
Dendrocronología (ubicado a 30 metros, aproximadamente, al Oeste) con la finalidad de
descartar si es que el ruido ocasionado por la PC se transmitía por la línea eléctrica, ya que
cada uno de los dos contenedores está alimentado por líneas eléctricas diferentes.
Finalmente para estar completamente seguros de que no se estaba inyectando ruido
adicional a la línea eléctrica, se procedió a desconectar todos los equipos (PC's, luces, aire
acondicionado, etc) del contenedor de dendrocronología, dejando a la PC COMM como
única usuaria de ese circuito.
Después de volver a encender la PC se pudo observar que el ruido no había desaparecido,
pero se había atenuado ligeramente. Esto sugería que parte de la interferencia sí viaja por
la línea eléctrica pero que además existe otra manera por la cual se está transmitiendo el
ruido. Es posible que la interferencia se deba a un oscilador que se encuentre dentro de la
PC, ya que además se notó que el ruido varía su frecuencia (oscila) a lo largo del tiempo,
44
Figura 3.1. Reporte de perfil de viento de altura sin ruido
Figura 3.2. Reporte de perfil de viento de altura con ruido poco intenso
45
Figura 3.3. Reporte de perfil de viento de altura mostrando variación en la frecuencia del ruido.
3.7
Medición del ruido cósmico recibido
El radar perfilador de vientos de la Universidad de Piura mide las velocidades de los
vientos entre aproximadamente 2 a 25 km de altura; la señal recibida por la antena para
este propósito se mezcla también con ruido e interferencias del exterior, incluyendo al
ruido cósmico. Para mostrar la variación del ruido cósmico recibido por la antena se han
tomado los datos de ruido arrojados por los reportes del radar a lo largo de un día con la
antena en modo vertical. Los reportes se han generado cada 12 minutos, obteniendo en
total 120 datos de ruido en 24 horas de medición constante durante el día 100 del 2005
(10/04/2005).
Para este análisis primero se han tomado los valores de ruido correspondientes a los ecos
recibidos desde los 7720 metros de altura. En la figura 3.4 podemos ver como el ruido
varía a lo largo del día, teniendo su pico más alto (39.15 dB) aproximadamente a las 10:48
UT (38919 segundos UT)
En la figura 3.5 se muestra el ruido medido para una altura de 9204 metros, y también en
ella al igual que en la figura anterior, el pico más alto (39.05 dB) se da a las 10:48 UT
(38919 segundos UT)
Se observa que las formas de cada una de las dos señales anteriores son muy similares, ya
que incluso los valores máximos ocurren al mismo tiempo para las dos gráficas. Para
poder confirmar esto, se han superpuesto ambas gráficas (corrigiendo la escala de las
ordenadas), y el resultado se muestra en la gráfica 3.6.
Los picos presentes en las figuras 3.4 y 3.5 son debidos al ruido producido por la galaxia,
la luna, las estrellas, el sol, etc.
46
Día 100 - Año 2005
Altura : 7720 m
40
39
38
Ruido (dB)
37
36
35
34
33
32
0
1
2
3
4
5
Tiempo UT (s)
6
7
8
4
x 10
Figura 3.4. Ruido medido durante 24 horas para una altura de 7720 m
Día 100 - Año 2005
Altura : 9204 m
40
39
38
Ruido (dB)
37
36
35
34
33
32
31
0
1
2
3
4
5
Tiempo UT (s)
6
7
8
Figura 3.5. Ruido medido durante 24 horas para una altura de 9204 m
4
x 10
47
Día 100 - Año 2005
Alturas : 7720 m. y 9204 m.
6
5
7720 m
9204 m
4
Ruido (dB)
3
2
1
0
-1
-2
0
1
2
3
4
5
Tiempo UT (s)
6
7
8
4
x 10
Figura 3.6. Ambas señales tienen formas de onda muy parecidas
El ruido cósmico varía con la hora del día, con la estación del año y con otras condiciones
climáticas. Es decir el ruido cósmico depende de la posición de la tierra respecto del sol
(que es la estrella más cercana) y de las otras estrellas y satélites (como la luna). Este
patrón de forma de onda se repite todos los días pero a medida que los días pasan la gráfica
se va desplazando a lo largo del eje de las abscisas (eje horizontal), ya que la tierra va
adoptando posiciones distintas a lo largo del año con respecto al sol, la luna y las otras
estrellas.
3.8
Ruido e interferencia locales recibidos en el radar
El radar de la Universidad de Piura ha venido presentando continuamente problemas de
ruido e interferencias, especialmente con los datos obtenidos con el haz norte. Es decir
muchas veces los datos de las velocidades de los vientos horizontales obtenidos con el rayo
enviado hacia el norte se pierden debido al aumento del ruido. Pero este problema no solo
se presenta con el rayo enviado hacia el norte, sino también en los datos del haz este y del
haz oeste, llegando a existir una interferencia tan fuerte que opaca a la señal original.
Cuando se visualizan los datos del radar perfilador de vientos, la interferencia se manifiesta
como una banda de ancho más o menos constante presente en todas las alturas. Estas
interferencias son originadas tanto por fuentes externas e internas, tales como la línea
eléctrica, el propio sistema, PC’s del radar, etc.
48
Figura 3.7. Medida de los vientos troposféricos en el Beam Norte
Figura 3.8. Medida de los vientos troposféricos en el Beam Sur.
49
Figura 3.9. Medida de los vientos troposféricos Beam Oeste
Figura 3.10. Observación de la actividad ionosférica (Beam Norte)
50
El ruido no solo se manifiesta a través de las mediciones de los vientos de altura, sino
también a través de la línea eléctrica. Se ha monitoreado el comportamiento de la línea de
alimentación utilizando un osciloscopio, los resultados muestran cómo la señal llega
mezclada con ruido, lo que afecta el desempeño de los equipos. Esto se puede mejorar
colocando filtros en los tomacorrientes, y además implementando una adecuada puesta a
tierra.
Figura 3.11. Señal en la línea de Tierra de la alimentación eléctrica del radar
En la figura anterior se muestra cómo la señal eléctrica de 60 Hz llega mezclada con otras
señales de frecuencias más altas, lo que ocasiona ruido en los equipos. El comportamiento
periódico de la gráfica anterior se debe a un oscilador presente en las PC`s del radar. Con
la implementación de filtros adecuados y de una adecuada puesta a tierra, se espera
solucionar este problema; ya que actualmente la puesta a tierra no está operando
correctamente. En el capítulo 5 se abordará este tema y se planteará una posible solución.
3.9
Análisis de ruido presente en la señal del radar
El ruido presente en la señal recibida por la antena del radar es de alta frecuencia, por lo
tanto para poder medirlo es necesario contar con una frecuencia de muestreo muy pequeña.
Según el Teorema del Muestreo:
ω S > 2ωmáx
donde:
ω S es la frecuencia de muestreo
(3.1)
51
ωmáx es la máxima frecuencia de la señal a muestrear
Las mediciones que se han hecho del ruido recibido por la antena del radar han sido hechas
con un período de muestreo de 3.3 µs, es decir ω S = 303030.3 Hz. Esto se ha logrado
configurando al radar para que la antena reciba un eco cada 3.3 µs, durante 656.7 µs; es
decir en total se recibirán 200 ecos. Entonces por cada 200 ecos recibidos el radar genera
un reporte que incluye entre otros datos los valores (en decibeles) de la señal y del ruido
correspondientes a cada uno de los ecos recibidos. A partir de estos reportes se extraerán
los valores de ruido que han sido recibidos por la antena del radar.
La máxima frecuencia que se podrá analizar con este período de muestreo será igual a
ω max = 151515.15 Hz, la cual será suficiente ya que la señal original es del orden de las
centenas de Hertz.
El pulso de radiofrecuencia que envía el radar hacia la atmósfera tiene una frecuencia de
50 MHz, y dura 6.7 ms., el eco recibido por la antena debido a dicho pulso tiene una
frecuencia de (50 ± ∆f ) MHz. Esta variación en la frecuencia (± ∆f ) , debido al efecto
Doppler y por causa del movimiento del aire, es la que indica como varían las velocidades
de los vientos en la atmósfera, y es sólo esa variación la que se analiza mediante las
fórmulas del efecto Doppler.
3.9.1 Medición de la señal del radar
Se han realizado 33 mediciones para poder obtener de esta manera una muestra confiable
al momento de diseñar el filtro y estar seguros que realmente se logre "limpiar" la señal de
las interferencias externas. En la figura 3.12 se muestra la medida del ruido a través del
tiempo en la medida de los vientos para una altura de 15.14 km. Estos valores de ruido han
sido extraídos de los reportes generados por el radar, como se ha explicado en el apartado
anterior.
En la figura 3.12 también podemos ver claramente que existen componentes de alta
frecuencia que se mezclan con la señal original que es de baja frecuencia. Son estas
componentes de alta frecuencia las que debemos eliminar, ya que no contribuyen con
ninguna información útil, sino que ensucian la señal y hacen más difícil el análisis de los
datos.
El radar realiza mediciones de vientos de hasta 300.3 m/s para la ionosfera, lo que
equivaldría a 100 Hz. Por tanto para el diseño del filtro debemos considerar una frecuencia
de corte cercana a este valor, ya que las frecuencias que se encuentren más allá de los 100
Hz no son necesarias para el procesamiento de datos y son consideradas como ruido.
En el siguiente capítulo se abordará el tema del filtrado de la señal que recibe el radar
mediante el diseño de filtros digitales.
52
50
48
Amplitud (dB)
46
44
42
40
38
0
1
2
3
4
Tiempo (s)
5
6
7
-4
x 10
Figura 3.12. La señal que recibe el radar se ve afectada por ruidos de alta frecuencia.
Es necesario aclarar que estas medidas han sido realizadas en los dispositivos del radar
(principalmente en el receptor) afectados por los ruidos e interferencias. Estos no fueron
detectados en el espacio por algún equipo de medida, pues en la UDEP no se cuenta con
los equipos necesarios, y por tanto no ha sido necesario tomar en cuenta alguna
normatividad.