Comunicaciones - Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec

APUNTES DE COMUNICACIONES
TECNOLOGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE
ECATEPEC
División Ingeniería Electrónica y Telemática.
APUNTES DE COMUNICACIONES
AUTOR: M. en. C. EVA VALDEZ ALEMÁN.
Ecatepec, Edo de Méx. 25 de Julio de 2006.
1
APUNTES DE COMUNICACIONES
CONTENIDO
TEMA I. “TÓPICOS DE COMUNICACIONES I”
OBJETIVO: El alumno conocerá los principios básicos de la modulación
analógica y digital utilizada en la mayoría de los sistemas de
comunicación. Analizar las características de radio propagación.
1.1
Radio propagación …………………………………………...Pág.
1.1.1 Características de la onda de radio………………………...Pág.
1.1.2 Características de propagación……………………………..Pág.
1.1.3 Condiciones atmosféricas y comunicaciones……………Pág.
2
2
5
6
1.2
Modulación Analógica……………………………………......Pág. 7
1.2.1 AM…………………………………………………………….….Pág. 7
1.2.2 FM………………………………………………………………...Pág. 8
1.2.3 Modulación angular…………………………………………..Pág. 9
1.3
1.3.1
1.3.2
1.3.3
1.3.4
1.3.5
Modulación Digital………………………………………….…Pág.
ASK……………………………………………………………….Pág.
FSK……………………………………………………………….Pág.
PSK……………………………………………………………….Pág.
QPSK………………………………………………………….….Pág.
QAM…………………………………………………………...….Pág.
10
10
13
16
16
17
1.4
1.4.1
1.4.2
1.4.3
1.4.4
Modulación de pulsos…………………………………… …...Pág.
Modulación de Ancho de Pulsos (PWM)……………….…Pág.
Modulación de Posición de Pulsos (PPM)……………… Pág.
Modulación de Amplitud de Pulsos (PAM)……………… Pág.
Modulación de Pulsos Codificados (PCM)…………..…. Pág.
18
19
19
20
21
TEMA 2.”TOPICOS DE COMUNICACIONES 2”
OBJETIVO: El alumno cancera los principios básicos de comunicación
tales como microondas, satélites, antenas sistemas de radio, televisión y
radar.
2.1 Antena………..……………………………………………………. Pág. 23
2.2 Sistemas de radio…………………………………………….…. Pág. 32
2.3 Microondas y Radar……………………………...…………..…. Pág. 34
2.4 Transmisión y Recepción de Televisión………………....…. Pág. 47
2.5 Satélites………………………………………………………..…. Pág. 51
2.6 Sistemas de Cable y Fibra Óptica………………………...…. Pág. 55
2.7 Introducción a la telefonía. ………………………………...…. Pág. 64
BIBLIOGRAFIA……………………………………………….………..Pág. 69
2
APUNTES DE COMUNICACIONES
CAPITULO 1
1.1 Radiopropagacion
1.1.1 Características de las Ondas de Radio
Absorción y Emisión. Cuando las ondas de radiación pasan a través
de un gas los átomos o moléculas que lo componen pueden absorber parte de
esta energía. Cada átomo o molécula absorbe una longitud de onda específica.
Cuando la radiación es captada después de su paso por el gas es captada en
su espectro le "faltara" la porción absorbida por el creando en el espectro una
línea oscura de absorción. Este gas a su vez reemitirá la energía absorbida,
esta observada contra un fondo oscuro producirá líneas brillantes de emisión
que tendrán la misma longitud de onda del las radiaciones absorbidas. A este
fenómeno se le conoce como ley de Kirchhoff.
Reflexión. Así como las ondas del espectro visible son reflejadas por
superficies como el agua o los espejos, las ondas de radio también los son. El
principio de reflexión es el que ha permitido el diseño y construcción de
antenas parabólicas que reflejan y concentran la luz en un solo punto para que
pueda ser captado por un receptor.
Refracción. Es la desviación de las ondas cuando ellas pasan a través
de un medio transparente. Las diferentes sustancias tienen diferentes índices
de refracción Ej. El vacío es 1 y el agua 1.3
Fase. Se dice que dos ondas están en fase cuando sus picos y valles
coinciden
Interferencia. Cuando dos ondas de la misma frecuencia y dirección se
encuentran la onda resultante será la suma de ambas, a esto se le denomina
Interferencia Constructiva. Cuando dos ondas tienen la misma amplitud y están
fuera de fase 180 grados -es decir el pico de una coincide con el valle de otra las dos ondas se cancelan a esto se le denomina Interferencia Destructiva.
Difracción. Cuando una onda electromagnética pasa por un obstáculo
en el espacio la onda es desviada alrededor del objeto.
Cintilación. Cuando una onda electromagnética viaja a través del medio
se ve sometida a pasar por áreas que varían en presión, temperatura, densidad
entre otras su consecuencia es que desde el punto de observación parecerá
que las ondas varíen en intensidad, el efecto visual de esto es que las estrellas
titilen o se vean espejismos en las tierras muy secas. Este mismo fenómeno
ocurre con todas las ondas del espectro.
3
APUNTES DE COMUNICACIONES
•
EJERCICIO DE SIMULACION USANDO MATLAB-SIMULINK
Sistema de portadora suprimida usando un multiplicador.
Antecedentes:
Las frecuencias de salida de un multiplicador serán las frecuencias de suma y
diferencia de las señales sinusoidales de entrada
Ejecución:
Inicie en MATLAB y luego agregué la trayectoria del directorio con el archivo
“mult.m”.Si los archivos se localizan en c: /mywork, entonces escriba lo
siguiente en la línea de comandos de MATLAB.
>>addpath c:/mywork
Ahora ejecute el programa como sigue:
>>mult
Esto muestra el espectro de salida del multiplicador.
A continuación se incluye el código de MATLAB
Funtion mult ()
%
Demostrar el espectro de frecuencia de la salida de un multiplicador
% para las sinusoidales de 500 Hz y los 1000Hz de magnitudes iguales
%
f1=500;
f2=1000;
% Tamaño de paso entre muestras tstep= 1e-4;
% Utilizando los primeros 50ms de las señales de entrada;
%
%generar las señales de entrada del multiplicador
%
vin1= sen (2*pi*f1*t);
vin2= sen (2*pi*f2*t);
%
%Generar la salida del multiplicador vout = vin1.*vin2;
%
%Aplicar una función de ventana para mejorar la presentación del espectro
%usando la función fft
%
win = hamming (length (vout));
%
%Obtener el espectro por medio de la función fft
y= abs (fft(vout*win));
%Extraer el vector fft apropiado por graficar
fft_len = length (y);
n_freg = (0:fft_len-1)./(tsetep*fft_len);
n_plot = n_freg(1:round(fft_len/2));
4
APUNTES DE COMUNICACIONES
y_plot = y (1:round(fft_len/2));
%
%generar el espectro de frecuencia
%
figure (1)
plot(n_plot,y_plot)
title ([`Espectro de frecuencia del producto de dos señales con frecuencias `,
num2str (f1), `Hz and`, num2str (f2), `Hz`]);
xlabel (`Frecuencia `);
ylabel ( `Magnitud FFT`);
grid
Escribiendo todas estas instrucciones se habrá construido en simulink un
grafico con las características anteriores, es importante mencionar que cuando
se pone % el programa no de detectara esta línea solo es para mencionar las
acciones realizadas.
El grafico resultante es el siguiente:
1.1.2
Características de propagación
Como ya mencionáramos, un cuerpo en oscilación pone en movimiento
a las moléculas de aire (del medio) que lo rodean.
Éstas, a su vez, transmiten ese movimiento a las moléculas vecinas y
así sucesivamente. Cada molécula de aire entra en oscilación en torno a su
punto de reposo.
Es decir, el desplazamiento que sufre cada molécula es pequeño. Pero
el movimiento se propaga a través del medio. Entre la fuente sonora (el cuerpo
en oscilación) y el receptor (el ser humano) tenemos entonces una transmisión
de energía pero no un traslado de materia. No son las moléculas de aire que
rodean al cuerpo en oscilación las que hacen entrar en movimiento al tímpano,
sino las que están junto al mismo, que fueron puestas en movimiento a medida
que la onda se fue propagando en el medio.
5
APUNTES DE COMUNICACIONES
El (pequeño) desplazamiento (oscilatorio) que sufren las distintas
moléculas de aire genera zonas en las que hay una mayor concentración de
moléculas (mayor densidad), zonas de condensación, y zonas en las que hay
una menor concentración de moléculas (menor densidad), zonas de
rarefacción. Esas zonas de mayor o menor densidad generan una variación
alterna en la presión estática del aire (la presión del aire en ausencia de
sonido). Es lo que se conoce como presión sonora.
1.1.3 Condiciones atmosféricas y comunicaciones
Son todas aquellas que intervienen en el proceso de comunicación ya se
la mas frecuente de ellas seria la temperatura que afecta directamente a los
circuitos provocando sobrecalentamiento y a su vez perdida de información.
•
EJERCICIO DE SIMULACION USANDO MATLAB-SIMULINK
Sistema Rectificación de onda Completa
Este es un ejemplo de la simulación en Matlab dentro de Simulink que se utiliza
para realizar la ecuación siguiente, la cual representa los primeros 5 términos
de la serie de fourier de una onda senoidal con rectificación de onda
completa.
V(t)= 2/π - 4cos (2wt)/ π(3)(5) - 4cos (6wt)/ π(7)(5) - 4cos (8wt)/ π(7)(9)
Ejecución
Inicie Matlab y luego en la parte superior se encuentra un icono que dice
Simulink presiónelo por consiguiente se abrirá una nueva ventana de la librería
de Simulink, presione ctrl. O elija un nuevo proyecto arme su sistema y una
vez terminado ejecútelo presionando el icono de pley donde los resultados se
pueden observar en Scope.
6
APUNTES DE COMUNICACIONES
La grafica de este modelo es la siguiente:
1.2 Modulación Analógica
Definiciones:
"La modulación es la alteración sistemática de una onda portadora de
acuerdo con el mensaje (señal modulada) y puede ser también una
codificación"
"Las señales de banda base producidas por diferentes fuentes de
información no son siempre adecuadas para la transmisión directa a través de
un a canal dado. Estas señales son en ocasiones fuertemente modificadas
para facilitar su transmisión."
Una portadora es una senoide de alta frecuencia, y uno de sus parámetros
(tal como la amplitud, la frecuencia o la fase) se varía en proporción a la señal
de banda base s(t). De acuerdo con esto, se obtiene la modulación en amplitud
(AM), la modulación en frecuencia (FM), o la modulación en fase (PM). La
siguiente figura muestra una señal de banda base s(t) y las formas de onda de
AM y FM correspondientes. En AM la amplitud de la portadora varia en
proporción a s(t), y en FM, la frecuencia de la portadora varía en proporción a
s(t), como podemos observar en la siguiente fig(1) con toda claridad.
7
APUNTES DE COMUNICACIONES
¿PORQUE SE MODULA?
Existen varias razones para modular, entre ellas:
•
•
•
•
•
•
•
Facilita la PROPAGACIÓN de la señal de información por cable o por el
aire.
Ordena el RADIOESPECTRO, distribuyendo canales a cada información
distinta.
Disminuye DIMENSIONES de antenas.
Optimiza el ancho de banda de cada canal
Evita INTERFERENCIA entre canales.
Protege a la Información de las degradaciones por RUIDO.
Define la CALIDAD de la información trasmitida.
1.2.1 Modulación en Amplitud (AM)
Modulación de amplitud (AM es el proceso de cambiar la amplitud de
una portadora de frecuencia relativamente alta de acuerdo con la amplitud de la
señal modulante (información). Las frecuencias que son lo suficientemente
altas para radiarse de manera eficiente por una antena y propagase por el
espacio libre se llaman comúnmente radiofrecuencias o simplemente RF.
Con la modulación de amplitud, la infamación se imprime sobre la
portadora en la forma de cambios de amplitud. La modulación de amplitud es
una forma de modulación relativamente barata y de baja calidad de modulación
que se utiliza en la radiodifusión de señales de audio y video. La banda de
radiodifusión comercial AM abarca desde 535 a 1605 Khz. La radiodifusión
comercial de TV se divide en tres bandas (dos de VHF y una de UHF). Los
canales de la banda 1 entre 2 y 6 (54 a 88 MHz), los canales de banda alta de
VHF son entre 7 MHz) y los canales de UHF son entre 14 a 83 (470 a 890
MHZ). La modulación de amplitud también se usa para las comunicaciones de
radio móvil de dos sentidos tal como una radio de banda civil (CB) (26.965 a
27.405 MHz). Un modulador AM es un aparato no lineal con dos señales de
entrada de información: una señal portadora de amplitud constante y de
frecuencia sencilla, y la señal de información. La información actúa sobre o
modula la portadora y puede ser una forma de onda de frecuencia simple o
compleja compuesta de muchas frecuencias que fueron originadas de una o
más fuentes. Debido a que la información actúa sobre la portadora, se le llama
señal modulante. La resultante se llama onda modulada o señal modulada fig
(2).
8
APUNTES DE COMUNICACIONES
•
EJERCICIO DE SIMULACION USANDO MATLAB-SIMULINK
Sistema de una onda de amplitud modulada
Antecedentes:
Utilizando MATLAB y su programa asociado SIMULINK pueden utilizarse para
modelar y poner en práctica varios comportamientos del sistema. En esta
ocasión se utiliza para realizar la siguiente ecuación de AM:
V(t) = Ec sen (2pi fc t) (1+m sen (2pi fm t )
Donde el índice de modulación m es:
m= Em / Ec
La ecuación de AM indica que es necesario seguir los bloques de SIMULINK
1.2.2 Modulación en Frecuencia (FM)
La modulación de amplitud tiene en la práctica dos inconvenientes: por
un lado, no siempre se transmite la información con la suficiente calidad, ya
que el ancho de banda en las emisiones está limitado; por otra parte, en la
recepción es difícil eliminar las interferencias producidas por descargas
atmosféricas, motores, etc.
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APUNTES DE COMUNICACIONES
La modulación de frecuencia consiste en varar la frecuencia de la onda
portadora de acuerdo con la intensidad de la onda de información. La amplitud
de la onda modulada es constante e igual que la de la onda portadora.
La frecuencia de la portadora oscila más o menos rápidamente, según la
onda moduladora, esto es, si aplicamos una moduladora de 100 Hz, la onda
modulada se desplaza arriba y abajo cien veces en un segundo respecto de su
frecuencia central, que es la portadora; además el grado de esta variación
dependerá del volumen con que modulemos la portadora, a lo que
denominamos “índice de modulación” Fig (3).
Debido a que los ruidos o interferencias que se mencionaron
anteriormente alteran la amplitud de la onda, no afecta a la información
transmitida en FM, puesto que la información se extrae de la variación de
frecuencia y no de la amplitud, que es constante.
Como consecuencia de estas características de modulación podemos
observar cómo la calidad de sonido o imagen es mayor cuando modulamos en
frecuencia que cuando lo hacemos en amplitud o banda lateral. Además al no
alterar la frecuencia de la portadora en la medida que aplicamos la información,
podemos transmitir señales sonoras o información de otro tipo (datos o
imágenes), que comprenden mayor abanico de frecuencias moduladoras, sin
por ello abarcar mayor ancho de banda. Éste es el motivo por el que las
llamadas “radiofórmulas” utilizan la frecuencia modulada, o dicho de otro modo,
el nacimiento de las estaciones que a mediados de los sesenta eligieron este
sistema para emitir sus programas con mayor calidad de sonido dio origen a la
radiodifusión musical.
•
EJERCICIO DE SIMULACION USANDO MATLAB-SIMULINK
Sistema de una onda modulada en frecuencia
Antecedentes:
Utilizando MATLAB y su programa asociado SIMULINK pueden utilizarse para
modelar y poner en práctica varios comportamientos del sistema. En esta
ocasión se utiliza para realizar la siguiente ecuación de FM:
V(t) = Ec sen (2pi fc t + mf sen ( 2 pi fm t)
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APUNTES DE COMUNICACIONES
1.3 Modulación Digital
Modulación de una onda portadora mediante una señal digital modulante
donde la información es datos binarios.
1.3.1 MODULACION ASK (Desplazamiento de Amplitud)
ASK (Amplitudes-shift keying), es una modulación de amplitud donde la
señal moduladora (datos) es digital. Los dos valores binarios se representan
con dos amplitudes diferentes y es usual que una de las dos amplitudes sea
cero; es decir uno de los dígitos binarios se representa mediante la presencia
de la portadora a amplitud constante, y el otro dígito se representa mediante la
ausencia de la señal portadora.
En este caso la señal moduladora vale
La señal modulada puede representarse gráficamente de la siguiente manera
fig (4).
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APUNTES DE COMUNICACIONES
Debido a que la señal moduladora es una secuencia periódica de pulsos,
su espectro de frecuencias obtenido por medio del desarrollo en serie compleja
de Fourier tiene la característica de la función sen x/x.
Este caso es similar a la modulación de amplitud para señales
analógicas, o sea que se produce un desplazamiento de frecuencias, que en
este caso traslada todo el espectro de frecuencias representativo de la
secuencia de pulsos periódicos fig (7).
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APUNTES DE COMUNICACIONES
La técnica ASK se utiliza para la transmisión de datos digitales en fibras
ópticas, en los transmisores con LED, la expresión de la señal modulada sigue
siendo válida. Es decir, un elemento de señal se representa mediante un pulso
de luz, mientras que el otro se representa mediante la ausencia de luz. Los
transmisores láser tienen normalmente un valor de desplazamiento, "bias", que
hace que el dispositivo emita una señal de alta intensidad para representar un
elemento y una señal de menor amplitud para representar al otro.
1.3.2 Modulación en frecuencia (FSK)
La técnica de modulación en frecuencia modifica la frecuencia de la
señal portadora, según la señal digital que se transmite.
En su forma más intuitiva, la frecuencia alta representará uno de los
estados binarios posibles de la señal digital, generalmente el 1,
representándose por una señal de frecuencia diferente el estado binario 0,
como podemos observar en la fig (8).
El índice de modulación tiene gran incidencia en la señal modulada y
determina los dos tipos fundamentales de FSK.
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APUNTES DE COMUNICACIONES
FSK de banda reducida o banda angosta
Si el índice de modulación es pequeño,
(esto significa que la
variación de frecuencia de la señal modulada produce una diferencia de fase
menor que
), se tiene modulación de frecuencia en banda angosta y su
espectro de frecuencias es similar al de ASK. La única diferencia es que en
este caso, la amplitud de las armónicas se ve afectada por la frecuencia o sea,
se tiene una pequeña modulación de amplitud, superpuesta a la FSK, fig (9).
FSK de banda ancha
Las ventajas de FSK sobre ASK se hacen notables cuando el índice de
modulación es grande es decir
.
Con esta condición se aumenta la protección contra el ruido y las
interferencias, obteniendo un comportamiento más eficiente respecto a ASK,
puesto que en este caso la pequeña modulación de amplitud mencionada en el
caso de FSK de banda angosta, se hace despreciable.
La desventaja es que es necesario un mayor ancho de banda, debido a
la mayor cantidad de bandas laterales (un par por cada armónica).
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APUNTES DE COMUNICACIONES
•
EJERCICIO DE SIMULACION USANDO MATLAB-SIMULINK
1.
Sistema de la relación de potencia recibida
Antecedentes:
Utilizando MATLAB y su programa asociado SIMULINK pueden utilizarse para
modelar y poner en práctica varios comportamientos del sistema. En esta
ocasión se utiliza para Demostrar la operación de un sistema de modulación
par desplazamiento de frecuencia (FSK) en SIMULlNK.
Este es un sistema binario de modulación por desplazamiento de frecuencia
(FSK). El serial modulado es de 1200 Hz cuando el serial de entrada binaria es
I y 2100 cuando el serial de entrada es cero.
• La salada del multiplicador marcada como product 1 es una señal de 1200Hz
si la señal de entrada obtenida del generador binario aleatorio de Bernoulli
tiene un valor de I.
• La salida del multiplicador etiquetada como product 2 es una señal de 2200
Hz si la señal de entrada obtenida del generador binario aleatorio de Bernoulli
tiene un valor de O.
Las salidas de ambos multiplicadores se combinan crear la salida FSK. EI
espectro de salida de FSK muestra el espectro de salida cuando se ejecuta la
simulación.
Ejecución:
Inicie MATLAB y luego teclee simulink en la línea de instrucciones para iniciar
el programa SIMULINK.
» Simulink
• Seleccione el modelo crearlo usando la opci6n del File-> Open para
seleccionar y abrir el archivo "fsk.md”.
Ejecute la simulación seleccionando la opci6n del me Simulación-> Start en la
ventana del modelo.
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APUNTES DE COMUNICACIONES
1.3.3 Modulación PSK
Consiste en un procedimiento de la onda portadora en función de un bit
de dato (0, 1). Un bit 0 corresponde a la fase 0; en cuanto al bit 1, corresponde
a la fase g.
Por tanto, este ángulo está asociado con un dato al ser transmitido y con
una técnica de codificación usada para representar un bit, claramente se
observa en fig (10).
1.3.4 Modulación QPSK
QPSK son las siglas de Quadrature Phase Shift Keying. Es una forma
de modulación en la que la señal se envía en cuatro fases, 45, 135, 225, y 315
grados, y el cambio de fase de un símbolo al siguiente codifica dos bits por
símbolo.
La modulación QPSK es equivalente a la 4-QAM. Una de sus principales
ventajas es que ofrece la misma eficiencia de potencia, utilizando la mitad de
ancho de banda, lo que es muy importante en la transmisión de datos por
satélite. Para su mayor comprensión, algunos prefieren decir Quaternary en
lugar de Quadrature dado QPSK transmite 4 fases (360°/4).
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APUNTES DE COMUNICACIONES
1.3.5 QAM
La modulación de amplitud en cuadratura, en inglés Quadrature
Amplitude Modulation (QAM), es una modulación lineal que consiste en
modular en doble banda lateral dos portadoras de la misma frecuencia
desfasadas 90º. Cada portadora es modulada por una de las dos señales a
transmitir. Finalmente las dos modulaciones se suman y la señal resultante es
transmitida.
Este tipo de modulación tiene la ventaja de que ofrece la posibilidad de
transmitir dos señales en la misma frecuencia, de forma que favorece el
aprovechamiento del ancho de banda disponible.
Tiene como inconveniente que es necesario realizar la demodulacion
con demoduladores sincronizo
Diagrama de bloques de un modulador QAM fig (11)
La importancia de este sistema de modulación se debe a la gran cantidad
de aplicaciones asociadas a ella:
Es empleada por módems para velocidades superiores a los 2400 bps
(por ejemplo V.22 bis y V.32)
Es la modulación empleada en multitud de sistemas de transmisión de
televisión, microondas, satélite.
Es la base de la modulación TCM (Trellis Coded Modulation), que
consigue velocidades de transmisión muy elevadas combinando la
modulación con la codificación de canal.
Es la base de los módems ADSL (Asymmetric Digital Suscriber Line)
que trabajan en el bucle de abonado, a frecuencias situadas entre
24KHz y 1104KHz, pudiendo obtener velocidades de hasta 9Mbps,
modulando en QAM diferentes portadoras.
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APUNTES DE COMUNICACIONES
1.4
Modulación de Pulsos
Hay varias formas de modulación analógica de impulsos, pero tres son las
más conocidas y utilizadas:
1. La “Modulación de Amplitud de Impulsos (Pulse-Amplitude
Modulation, PAM)”, en la cual la altura o amplitud de cada impulso varía
en función del valor de muestra de la señal mensaje. El período y la
duración de los impulsos no cambian.
2. La “Modulación de Duración o Anchura de Impulsos (Pulse-Duration
(Width)Modulation, PDM o PWM)”, en la cual la duración de cada impulso
varía en función del valor de muestra de la señal mensaje. El período y la
amplitud de los impulsos no cambian.
3. La “Modulación de Posición de Impulsos (Pulse-Position Modulation,
PPM)”, en la cual la posición de cada impulso varía, respecto a un punto
de referencia, en función del valor de muestra de la señal mensaje. La
amplitud y la duración de los impulsos no cambian.
En la siguiente fig (12) se muestra una señal mensaje típica m(t) y las tres
formas de modulación analógica de impulsos correspondientes.
Modulación Ancho de Pulsos (PWM)
La modulación por anchura de pulsos (MAP en castellano, PWM o "Pulse
Width Modulation" en inglés) es una técnica utilizada para regular la velocidad
de giro de los motores eléctricos. Mantiene el par motor constante y no supone
un desaprovechamiento de la energía eléctrica. Se utiliza tanto en corriente
continua como en alterna.
18
APUNTES DE COMUNICACIONES
Otros sistemas para regular la velocidad son modificar la tensión eléctrica,
con lo que se pierde par motor; interponer una resistencia eléctrica con lo que
se pierde energía en forma de calor en la resistencia.
Otra forma de regular el giro a través de pulsos es la Modulación por
frecuencia de pulsos de duración constante. En los motores de corriente alterna
también se puede utilizar la frecuencia.
Otra aplicación es para enviar información de manera analógica. Es útil para
comunicarse de forma analógica con sistemas digitales.
Para un sistema digital es relativamente fácil medir cuanto dura una onda
cuadrada. Sin embargo, si no tiene un conversor analógico digital no puede
obtener información de un valor tensión, ya que solo puede detectar si hay una
determinada tensión, 0 o 5v por ejemplo, con unas tolerancias. Pero no puede
medir un valor de tensión.
Modulación de Posición de Pulsos (PPM)
En la modulación PPM la posición de los impulsos, con referencia a un
punto dado, varía proporcionalmente de acuerdo con los valores de muestra de
la señal mensaje, como se muestra en la siguiente figura. En un sistema PPM
la información está contenida en los desplazamientos de los impulsos de un
tren de impulsos, la portadora. Como la amplitud y la duración de los impulsos
se mantienen constantes, la información posicional es también transmitida por
la posición del borde frontal del impulso, o por la posición del punto, en el eje
del tiempo, por donde cruza el borde frontal. Las modulaciones PPM y PDM
están íntimamente relacionadas, a tal punto que la modulación PPM se puede
obtener directamente a partir de la modulación PDM en la forma mostrada en la
Fig (13).
Una señal PPM se puede expresar en la forma
19
APUNTES DE COMUNICACIONES
Modulación de Anchos de Pulsos (PAM)
La señal PAM está formada por impulsos rectangulares de amplitud variable
y duración que se transmiten directamente por un canal de ancho de banda B.
En general, este tipo de transmisión se denomina “Transmisión en Banda de
Base”, pues las señales se transmiten tal como se generan, sin ningún otro tipo
de modulación. Si el ancho de banda del canal fuera igual a FM, él se
comportaría como un interpolador, la transmisión sería analógica continua y el
proceso de muestreo no tendría sentido. Anchos de banda ligeramente
mayores que FM producirían solapamiento en el tiempo (time crosstalk) lo que
introduce distorsión. Por otro lado, anchos de banda muy grandes no son
necesarios. Como la señal
Una señal x t PAM ( ) unipolar con retorno a cero tiene entonces la forma,
En cuanto a las relaciones S/N en PAM, consideremos el receptor PAM,
para permitir el funcionamiento en múltiplex, que veremos en detalle más
adelante, el receptor está abierto cuando no hay presencia de impulsos y
cerrado cuando éstos están presentes. Este funcionamiento intermitente
constituye, para las perturbaciones presentes en la entrada, un muestreo de
tipo natural. Este muestreo, gracias a los dispositivos de sincronización del
receptor, se hace a la misma frecuencia que el muestreo del mensaje en la
emisión. Como consecuencia, el muestreo en el receptor no afecta a la señal
útil pero sí al ruido presente a la entrada.
20
APUNTES DE COMUNICACIONES
Modulación de Pulsos Codificados (PCM)
Se basa como la anterior en el teorema de muestreo: " Si una señal f (t) se
muestrea a intervalos regulares de tiempo con una frecuencia mayor que el
doble de la frecuencia significativa más alta de la señal, entonces las muestras
así obtenidas contienen toda la información de la señal original. La función f (t)
se puede reconstruir a partir de estas muestras mediante la utilización de un
filtro paso - bajo". Es decir, se debe muestrear la señal original con el doble de
frecuencia que ella, y con los valores obtenidos, normalizándolos a un número
de bits dado (por ejemplo, con 8 bits habría que distinguir entre 256 posibles
valores de amplitud de la señal original a cuantificar) se ha podido codificar
dicha señal.
En el receptor, este proceso se invierte, pero por supuesto se ha perdido
algo de información al codificar, por lo que la señal obtenida no es exactamente
igual que la original (se le ha introducido ruido de cuantización). Hay técnicas
no lineales en las que es posible reducir el ruido de cuantización muestreando
a intervalos no siempre iguales.
PROCESO MODULACIÓN PCM
•
Codificación Analógica-Digital Modulación de Amplitud de Pulso(PAM)
•
Modulación PCM
•
Tasa de prueba
Codificación Analógica - Digital
Este tipo de codificación es la representación de información analógica
en una señal digital. Por ejemplo para grabar la voz de un cantante sobre un
CD se usan se usan significados digitales para grabar la información
analógica. Para hacerlos, se debe de reducir el nº infinito potencial posible de
valores en un mensaje analógico de modo que puedan ser representados como
una cadena digital con un mínimo de información posible. La figura 1 nos
muestra la codificación analógica - digital llamada codec (codificadordecodificador).
Fig (14) Codificación analógica - digital
21
APUNTES DE COMUNICACIONES
En la codificación analógica - digital, estamos representando la
información contenida a partir de una serie de pulsos digitales (1s ó 0s).
La estructura de la señal traducida no es el problema. En su lugar el
problema es como hacer pasar información de un número de valores infinitos a
un número de valores limitados sin sacrificar la calidad.
•
EJERCICIO DE SIMULACION USANDO MATLAB-SIMULINK
Sistema de Codificación y decodificación de la ley de μ
Antecedentes:
Utilizando MATLAB y su programa asociado SIMULINK pueden utilizarse para
modelar y poner en práctica varios comportamientos del sistema. En esta
ocasión se utiliza para Demostrar la operación de un sistema de Codificación y
decodificación de la ley de μ
Ejecución:
Inicie MATLAB y luego teclee simulink en la línea de instrucciones para iniciar
el programa SIMULINK.
» Simulink
Seleccione el modelo creado por medio de la opción del menú file ->open
para seleccionar y abrir el archivo “codec. mdl.”
Ejecute la simulación seleccionando la opción del menú simulation->start en
la ventana del modelo.
De doble clic en la pantalla para ver las señales de entrada, comprimida y
expandida.
Experimente con otros tipos de onda de entrada y frecuencia del generador de
funciones.
22
APUNTES DE COMUNICACIONES
CAPITULO 2.
2.1 Antenas
La definición formal de una antena es un dispositivo que sirve para
transmitir y recibir ondas de radio. Convierte la onda guiada por la línea de
transmisión (el cable o guía de onda) en ondas electromagnéticas que se
pueden transmitir por el espacio libre.
En realidad una antena es un trozo de material conductor al cual se le
aplica una señal y esta es radiada por el espacio libre.
Las antenas deben de dotar a la onda radiada con un aspecto de dirección. Es
decir, deben acentuar un solo aspecto de dirección y anular o mermar los
demás. Esto es necesario ya que solo nos interesa radiar hacia una dirección
determinada.
Esto se puede explicar con un ejemplo, hablando de las antenas que
llevan los satélites. Estas acentúan mucho la dirección hacia la tierra y anulan
la de sentido contrario, puesto que lo que se quiere es comunicarse con la
tierra y no mandar señales hacia el espacio.
Las antenas también deben dotar a la onda radiada de una polarización.
La polarización de una onda es la figura geométrica descrita, al transcurrir el
tiempo, por el extremo del vector del campo eléctrico en un punto fijo del
espacio en el plano perpendicular a la dirección de propagación.
Para todas las ondas, esa figura es normalmente una elipse, pero hay
dos casos particulares de interés y son cuando la figura trazada es un
segmento, denominándose linealmente polarizada, y cuando la figura trazada
es un círculo, denominándose circularmente polarizada.
Una onda está polarizada circularmente o elípticamente a derechas si un
observador viese a esa onda alejarse, y además viese girar al campo en el
sentido de las agujas de un reloj. Lógicamente, si lo viese girar en sentido
contrario, sería una onda polarizada circularmente o elípticamente a izquierdas.
Distribución De Corriente En Una Antena.
Una antena, al ser un elemento de un circuito, tendrá una distribución de
corrientes sobre ella misma. Esta distribución dependerá de la longitud que
tenga la antena y del punto de alimentación de la misma.
Una onda estacionaria es una onda que se crea cuando una señal se
está propagando por un medio de transmisión y es reflejada por culpa de una
mala adaptación o por culpa de un final de línea.
23
APUNTES DE COMUNICACIONES
Supongamos primero que tenemos una línea acabada en circuito abierto
y alimentada en uno de sus extremos.
En el momento de alimentar a esta línea de transmisión con una señal
senoidal, se crea una onda que se propaga por la línea.
Esta señal se irá repitiendo cada longitud de onda landa (una longitud de
onda y no media longitud de onda) ya que es una señal senoidal y es periódica.
Esto provoca que ahora tengamos una distribución de corrientes que no es
constante y que varía en función de la longitud de onda landa.
En la siguiente figura podemos ver una representación gráfica de como
quedaría una distribución de corrientes en la línea que estamos tratando.
Una vez que la onda llega al final de la línea, esta es reflejada al no
poder continuar su camino, volviendo hacia el generador.
Esta onda reflejada tiene un desfase de 90º respecto de la onda
incidente, por lo que al sumarse con la onda incidente, tendremos puntos en
donde la suma de un máximo y en donde de un mínimo. Esta suma de las dos
ondas es la onda estacionaria que estamos buscando.
Si en vez de estar acabada la línea en circuito abierto, estuviera
acabada en corto circuito, también se reflejaría la onda, pero en vez de estar
desfasada 90º, estaría desfasada 180º. También se sumaría a la onda
incidente y lógicamente también creará la onda estacionaria.
En la figura anterior observamos como quedan la onda incidente, la
reflejada y la estacionaria en la línea de transmisión que estamos tratando.
Esta es la onda estacionaria que se crea en la línea. Para entenderlo
mejor se suele representar el módulo de la intensidad, que sería lo que mediría
un medidor de corriente de RF, y la tensión en la misma línea.
Una cosa que no se ha comentado, pero que es muy importante, es la
posición de los máximos y de los mínimos de una onda estacionaria.
Al estar acabada la línea en un circuito abierto, en ese punto no podrá
desplazarse la corriente, luego el módulo de la corriente en el extremo de la
línea tendrá un mínimo. Por la misma razón, la tensión en ese punto tendrá un
máximo, ya que hay máxima concentración de energía.
Al ir variando la tensión y la intensidad en la línea, la impedancia
también irá variando. Este detalle es importante puesto que una vez que
tengamos diseñada nuestra antena, dependiendo del punto en el que la
alimentemos, tendremos distinta impedancia. Así por ejemplo, si tenemos un
cable de 50 ohmios para alimentar una antena, nos interesará alimentarla por
un punto que presente impedancia cercana a 50 ohmios para tener las mínimas
perdidas por desacoplo de impedancias.
24
APUNTES DE COMUNICACIONES
En realidad hay muchos tipos de antenas y cada una utiliza una parte
distinta de la longitud de onda, así que dependiendo de la aplicación que
queramos, del tipo de antena que queramos utilizar y de más factores
(espacio,...) utilizaremos una medida u otra.
Vamos a ver que ocurre cuando modificamos un poco nuestra línea de
transmisión que estamos tratando. Vamos a suponer que alimentamos en un
punto cualquiera y que tenemos creada una onda estacionaria en ella.
Sin meterse en cuestiones físicas, si una corriente circula por un
conductor, creará un campo eléctrico y magnético en sus alrededores. Luego
nuestra corriente creará un campo eléctrico y magnético, pero como
supondremos que la distancia entre los dos conductores que forman nuestra
línea (S) es pequeña, no se creará una onda que se propaga, puesto que la
contribución que presenta el conductor superior se anulará con la que presenta
el conductor inferior.
Pero si separamos en un punto los dos conductores, los campos que
crean las corrientes ya no se anularán entre si, si no que se creará un campo
eléctrico y magnético que formará una onda que se podrá propagar por el
espacio.
Según esto, dependiendo del punto desde el que separemos el
conductor, tendremos una longitud en los elementos radiantes (H) variable. Al
variar esta longitud, la distribución de corriente variará, y lógicamente la onda
que se creará y se propagará.
Hay que seguir observando que en los extremos seguimos teniendo un
mínimo de corriente y que continúa repitiéndose cada media longitud de onda.
Luego ahora podemos ver de forma gráfica, que si suponemos que
nuestra antena son solo los elementos radiantes y que el punto en el que los
hemos separado es el punto de alimentación de la antena, el módulo de la
intensidad en el punto de alimentación varía y lógicamente, también varía la
impedancia que presenta la antena.
Como podemos ver, no por tener una antena más larga logramos radiar mejor,
lo único que conseguimos es variar el diagrama de radiación y la impedancia
que presenta.
2.1.1 PARÁMETROS GENERALES DE UNA ANTENA
Una antena va a formar parte de un sistema, por lo que tenemos que definir
parámetros que la describan y nos permita evaluar el efecto que va a producir
sobre nuestro sistema.
25
APUNTES DE COMUNICACIONES
2.1.2 IMPEDANCIA
Una antena se tendrá que conectar a un transmisor y deberá radiar el
máximo de potencia posible con un mínimo de perdidas. Se deberá adaptar la
antena al transmisor para una máxima transferencia de potencia, que se suele
hacer a través de una línea de transmisión. Esta línea también influirá en la
adaptación, debiéndose considerar su impedancia característica, atenuación y
longitud.
Como el transmisor producirá corrientes y campos, a la entrada de la
antena se puede definir la impedancia de entrada mediante la relación tensióncorriente en ese punto. Esta impedancia poseerá una parte real Re(w) y una
parte imaginaria Ri(w), dependientes de la frecuencia.
Si a una frecuencia una antena no presenta parte imaginaria en su
impedancia Ri(w)=0, entonces diremos que esa antena está resonando a esa
frecuencia.
Normalmente usaremos una antena a su frecuencia de resonancia, que
es cuando mejor se comporta, luego a partir de ahora no hablaremos de la
parte imaginaria de la impedancia de la antena, si no que hablaremos de la
resistencia de entrada a la antena Re. Lógicamente esta resistencia también
dependerá de la frecuencia.
Esta resistencia de entrada se puede descomponer en dos resistencias,
la resistencia de radiación (Rr) y la resistencia de pérdidas (RL). Se define la
resistencia de radiación como una resistencia que disiparía en forma de calor la
misma potencia que radiaría la antena. La antena por estar compuesta por
conductores tendrá unas pérdidas en ellos. Estar pérdidas son las que definen
la resistencia de pérdidas en la antena.
Como nos interesa que una antena esté resonando para que la parte
imaginaria de la antena sea cero. Esto es necesario para evitar tener que
aplicar corrientes excesivas, que lo único que hacen es producir grandes
pérdidas.
No se ha dicho, pero se ha supuesto que la parte real de la impedancia
de entrada de la antena no varía en función de la frecuencia.
2.1.3 EFICIENCIA
Relacionado con la impedancia de la antena tenemos la eficiencia de
radiación y la eficiencia de reflexión. Estas dos eficiencias nos indicarán una,
cuanto de buena es una antena emitiendo señal, y otra, cuanto de bien está
adaptada una antena a una línea de transmisión.
La Eficiencia de Radiación se define como la relación entre la potencia
radiada por la antena y la potencia que se entrega a la misma antena.
26
APUNTES DE COMUNICACIONES
Como la potencia está relacionada con la resistencia de la antena,
podemos volver a definir la Eficiencia de Radiación como la relación entre la
Resistencia de radiación y la Resistencia de la antena:
La Eficiencia de Adaptación o Eficiencia de Reflexión es la relación entre
la potencia que le llega a la antena y la potencia que se le aplica a ella. Esta
eficiencia dependerá mucho de la impedancia que presente la línea de
transmisión y de la impedancia de entrada a la antena, luego se puede volver a
definir la Eficiencia de Reflexión como 1 - módulo del Coeficiente de reflexión2,
siendo el coeficiente de reflexión el cociente entre la diferencia de la
impedancia de la antena y la impedancia de la línea de transmisión, y la suma
de las mismas impedancias.
Eficiencia de Reflexión = 1 - (Coeficiente de Reflexión)2, donde
Algunas veces se define la Eficiencia Total, siendo esta el producto entre la
Eficiencia de Radiación y la Eficiencia de Reflexión.
Eficiencia Total = Eficiencia de Radiación x Eficiencia de Reflexión
Otra forma de calcular la eficiencia de una antena es utilizando la figura
siguiente, en la que se muestra un circuito equivalente eléctrico simplificado
para una antena.
Parte de la potencia de entrada se disipa en las resistencias efectivas
(resistencia de tierra, dieléctricos imperfectos, etc.) y la restante se irradia. El
total de la potencia de la antena es la suma de las potencias disipada y
radiada. En términos de resistencia y corriente, la eficiencia es:
n = eficiencia de la antena
i = corriente de la antena
Rr = resistencia de radiación
Re = resistencia de la antena efectiva
Patrón de Radiación
En algunas circunstancias es necesaria la representación gráfica de la
fase del campo eléctrico. Esta representación recibe el nombre de Diagrama de
Fase o Patrón de Radiación.
Un patrón de radiación es un diagrama polar o gráfica que representa las
intensidades de los campos o las densidades de potencia en varias posiciones
angulares en relación con una antena. Si el patrón de radiación se traza en
términos de la intensidad del campo eléctrico (E) o de la densidad de potencia
(P), se llama patrón de radiación absoluto. Si se traza la intensidad del campo o
la densidad de potencia en relación al valor en un punto de referencia, se llama
patrón de radiación relativo.
Algunas veces no nos interesa el diagrama de radiación en tres
dimensiones, al no poder hacerse mediciones exactas sobre el.
Lo que se suele hacer es un corte en el diagrama de radiación en tres
dimensiones para pasarlo a dos dimensiones. Este tipo de diagrama es el más
habitual ya que es más fácil de medir y de interpretar.
27
APUNTES DE COMUNICACIONES
2.1.4 CAMPOS CERCANOS Y LEJANOS
El campo de radiación que se encuentra cerca de una antena no es igual
que el campo de radiación que se encuentra a gran distancia. El termino campo
cercano se refiere al patrón de campo que esta cerca de la antena, y el termino
campo lejano se refiere al patrón de campo que está a gran distancia. Durante
la mitad del ciclo, la potencia se irradia desde una antena, en donde parte de la
potencia se guarda temporalmente en el campo cercano. Durante la segunda
mitad del ciclo, la potencia que esta en el campo cercano regresa a la antena.
Esta acción es similar a la forma en que un inductor guarda y suelta
energía. Por tanto, el campo cercano se llama a veces campo de inducción. La
potencia que alcanza el campo lejano continua irradiando lejos y nunca regresa
a la antena por lo tanto el campo lejano se llama campo de radiación. La
potencia de radiación, por lo general es la mas importante de las dos-, por
consiguiente, los patrones de radiación de la antena, por lo regular se dan para
el campo lejano. El campo cercano se define como el área dentro de una
distancia D2/l de la antena, en donde l es la longitud de onda y D el diámetro de
la antena en las mismas unidades.
2.1.5 GANANCIA DIRECTIVA Y GANANCIA DE POTENCIA
La ganancia directiva es la relación de la densidad de potencia radiada
en una dirección en particular con la densidad de potencia radiada al mismo
punto por una antena de referencia, suponiendo que ambas antenas irradian la
misma cantidad de potencia. El patrón de radiación para la densidad de
potencia relativa de una antena es realmente un patrón de ganancia directiva si
la referencia de la densidad de potencia se toma de una antena de referencia
estándar, que por lo general es una antena isotrópica. La máxima ganancia
directiva se llama directividad. Matemáticamente, la ganancia directiva es:
donde:
D = ganancia directiva (sin unidades)
P = densidad de potencia en algún punto de una antena determinada (W/m2)
Pref = densidad de potencia en el mismo punto de una antena de referencia
(W/m2)
La ganancia de potencial es igual a la ganancia directiva excepto que se
utiliza el total de potencia que alimenta a la antena (o sea, que se toma en
cuenta la eficiencia de la antena). Se supone que la antena indicada y la
antena de referencia tienen la misma potencia de entrada y que la antena de
referencia no tiene perdidas (h = 100%). Matemáticamente, la ganancia de
potencia (Ap) es:
Ap = D h
Si una antena no tiene perdidas, irradia 100% de la potencia de entrada
y la ganancia de potencia es igual a la ganancia directa. La ganancia de
potencia para una antena también se da en decibeles en relación con alguna
antena de referencia
28
APUNTES DE COMUNICACIONES
2.1.6
POLARIZACIÓN DE LA ANTENA
La polarización de una antena se refiere solo a la orientación del campo
eléctrico radiado desde ésta. Una antena puede polarizarse en forma lineal (por
lo general, polarizada horizontal o vertical), en forma elíptica o circular. Si una
antena irradia una onda electromagnética polarizada verticalmente, la antena
se define como polarizada verticalmente; si la antena irradia una onda
electromagnética polarizada horizontalmente, se dice que la antena está
polarizada horizontalmente; si el campo eléctrico radiado gira en un patrón
elíptico, está polarizada elípticamente; y si el campo eléctrico gira en un patrón
circular, está polarizada circularmente.
2.1.7 ANCHO DEL HAZ DE LA ANTENA
El ancho del haz de la antena es sólo la separación angular entre los dos
puntos de media potencia (-3dB) en el lóbulo principal del patrón de radiación
del plano de la antena, por lo general tomando en uno de los planos
"principales". El ancho del haz para una antena cuyo patrón de radiación se
muestra en la figura siguiente es el ángulo formado entre los puntos A, X y B
(ángulo q). Los puntos A y B son los puntos de media potencia (la densidad de
potencia en estos puntos es la mitad de lo que es, una distancia igual de la
antena en la dirección de la máxima radiación). El ancho de haz de la antena
se llama ancho de haz de -3dB o ancho de haz de media potencia.
Ancho de Banda de la Antena
El ancho de banda de la antena se define como el rango de frecuencias
sobre las cuales la operación de la antena es "satisfactoria". Esto, por lo
general, se toma entre los puntos de media potencia, pero a veces se refiere a
las variaciones en la impedancia de entrada de la antena.
2.1.8 TIPOS DE ANTENAS
Una antena es un dispositivo formado por un conjunto de conductores
que, unido a un generador, permite la emisión de ondas de radio frecuencia, o
que, conectado a una impedancia, sirve para captar las ondas emitidas por una
fuente lejana para este fin existen diferentes tipos:
Antena colectiva:
Antena receptora que, mediante la conveniente amplificación y el uso de
distribuidores, permite su utilización por diversos usuarios.
Antena de cuadro:
Antena de escasa sensibilidad, formada por una bobina de una o varias espiras
arrolladas en un cuadro, cuyo funcionamiento bidireccional la hace útil en
radiogoniometría.
29
APUNTES DE COMUNICACIONES
Antena de reflector o parabólica:
Antena provista de un reflector metálico, de forma parabólica, esférica o de
bocina, que limita las radiaciones a un cierto espacio, concentrando la potencia
de las ondas; se utiliza especialmente para la transmisión y recepción vía
satélite.
Antena lineal:
La que está constituida por un conductor rectilíneo, generalmente en posición
vertical.
Antena multibanda:
La que permite la recepción de ondas cortas en una amplitud de banda que
abarca muy diversas frecuencias.
Dipolo de Media Onda
El dipolo de media onda lineal o dipolo simple es una de las antenas más
ampliamente utilizadas en frecuencias arriba de 2MHz. En frecuencias abajo de
2 MHz, la longitud física de una antena de media longitud de onda es
prohibitiva. Al dipolo de media onda se le refiere por lo general como antena de
Hertz.
Una antena de Hertz es una antena resonante. O Sea, es un múltiplo de un
cuarto de longitud de onda de largo y de circuito abierto en el extremo más
lejano. Las ondas estacionarias de voltaje y de corriente existen a lo largo de
una antena resonante.
Antena Yagi:
Antena constituida por varios elementos paralelos y coplanarios, directores,
activos y reflectores, utilizada ampliamente en la recepción de señales
televisivas. Los elementos directores dirigen el campo eléctrico, los activos
radian el campo y los reflectores lo reflejan.
Los elementos no activados se denominan parásitos, la antena yagi
puede tener varios elementos activos y varios parásitos
Antenas Vhf Y Uhf.
Para clasificar las ondas de radio se toman como medida los múltiplos
de diez en la longitud de onda. Por lo tanto la ondas de VHF tienen una
longitud de onda entre 1 Metro y 10 Metros mientras que las de UHF tienen una
longitud de entre 10 Centímetros y un Metro.
30
APUNTES DE COMUNICACIONES
•
EJERCICIO DE SIMULACION USANDO MATLAB-SIMULINK
Sistema de la ganancia de una antena parabólica
Antecedentes:
Utilizando MATLAB y su programa asociado SIMULINK pueden utilizarse para
modelar y poner en práctica varios comportamientos del sistema. En esta
ocasión se utiliza para mostrar la ganancia de una antena parabólica en varios
diámetros de plato pasando parámetros de usuario a un archivo de
instrucciones de MATLAB.
Antecedentes
En esta sección, MATLAB se utiliza para mostrar la ganancia de una antena
parabólica en dB para varios diámetros de plato de antena.
G = 10 log 1O (μ(πf D/ c)²)
donde:
μ = eficiencia de la antena
f = frecuencia de operación en hertz
c = velocidad de la luz en metros/s
D = diámetro del plato en metros
Ejecución
Inicie MATLAB y luego agregue la trayectoria del directorio con el archivo
"parabolic.m". Si el archivo se localiza en el directorio "c:\mywork". entonces
teclee lo siguiente delante del apuntador de MATLAB.
»addpath c:\my work
Ejecute el programa para los parámetros siguientes,
μ = eficiencia de la antena = 60%
f = frecuencia de operación = 4 GHz
Diámetro mínimo del plato = 1.8 m
Diámetro máximo del plato = 4 m
31
APUNTES DE COMUNICACIONES
Teclee la siguiente instrucción en el cursor de MATLAB:
»parabolic(60,4e9,1.8,4)
Esto produce la gráfica siguiente:
2.2 Sistemas de radio
Estos sistemas utilizan terminales portátiles con un transmisor y receptor
de radiofrecuencia integrado en el equipo. Proveen libertad de movimiento y
portabilidad, operando a cientos de metros del host o equipo receptor de la
señal, bajo la cobertura de un receptor o punto de acceso que está conectado a
la red LAN.
Consiste de uno o más equipos portátiles conectados a tiempo real en una
computadora. En estos sistemas, la computadora central administra la
recolección de datos y la verificación conforme el usuario va introduciendo los
datos.
Los sistemas Radio Frecuencia tienen varias ventajas sobre los Batch.
Casi todos los sistemas en donde el hardware del código de barras esta en un
lugar fijo son Batch. Las ventajas son:
· Verificación de Datos Inmediata: conforme el usuario introduce datos, la
computadora puede checar su validez y dar al usuario respuestas variables
dependiendo de la validez.
· Verificación de Datos Sofisticada: un sistema RF checa mucho más variables
cuando desempeña la verificación de datos. Por ejemplo, un sistema Batch
puede checar el status de un número de parte solamente contra los últimos
números de parte que fueron enviados al equipo portátil. Un sistema RF puede
checar el status de un número de parte contra el inventario entero en cualquier
momento.
32
APUNTES DE COMUNICACIONES
· Interacción con el Usuario: los sistemas RF pueden dar al usuario una mejor
retro alimentación cuando ocurren errores. Debido a que el sistema puede
checar más variables, usted puede confeccionar las respuestas dadas al
usuario para resolver problemas.
· Reducción de Errores: todas las ventajas mencionadas anteriormente tienden
a reducir errores en un sistema RF. Esto reduce el costo de mano de obra para
corregir errores, así como también las consecuencias al actuar con datos
incorrectos.
· Fácil Ajuste: los sistemas RF usan técnicas de programación estándar y
chequeo de errores muy similar a la programación para una PC.
Puede procesar cada transacción y verificar datos en tiempo real. El proceso
en Batch requiere una forma de procesar datos en conjuntos y un mecanismo
para corregir errores después de sucedidos.
•
EJERCICIO DE SIMULACION USANDO MATLAB-SIMULINK
Sistema de la relación de potencia recibida
Antecedentes:
Utilizando MATLAB y su programa asociado SIMULINK pueden utilizarse para
modelar y poner en práctica varios comportamientos del sistema. En esta
ocasión se utiliza para realizar la razón entre la potencia recibida y transmitida
para distintos valores de espaciamiento entre transmisor y receptor, y otra
información suministrada por el usuario.
Ejecución:
Inicie en MATLAB y luego agregué la trayectoria del directorio con el archivo
“mult.m”.Si los archivos se localizan en c:/mywork, entonces escriba lo
siguiente en la línea de comandos de MATLAB.
>>addpath c:/mywork
%
%A continuación ejecute el programa como sigue
>> pathlosse
Siga los mensajes para introducir la información requerida ejecute de nuevo el
programa con diferentes valores de entrada.
La grafica siguiente se obtiene can los siguientes valores:
♣ Frecuencia portadora del transmisor en megahertz = 250
♣ Longitud de la línea de transmisi6n en metros = 10
♣ Perdida de la línea de transmisión en dB por metro = 10
♣ Ganancia de la antena transmisora en dB = 6
♣ Ganancia de la antena receptora en dB = 4
♣ Impedancia característica de línea de entrada del en ohms = 50
♣ Impedancia de entrada del receptor en ohms = 75
33
APUNTES DE COMUNICACIONES
2.3
MICROONDAS Y RADAR
Se denomina así la porción del espectro electromagnético que cubre las
frecuencias entre aproximadamente 3 Ghz y 300 Ghz (1 Ghz = 10^9 Hz), que
corresponde a la longitud de onda en vacío entre 10 cm. y 1mm.
La propiedad fundamental que caracteriza a este rango de frecuencia es
que el rango de ondas correspondientes es comparable con la dimensión
físicas de los sistemas de laboratorio; debido a esta peculiaridad, las m. Exigen
un tratamiento particular que no es extrapolable de ninguno de los métodos de
trabajo utilizados en los márgenes de frecuencias con que limita. Estos dos
límites lo constituyen la radiofrecuencia y el infrarrojo lejano. En radiofrecuencia
son útiles los conceptos de circuitos con parámetros localizados, debido a que,
en general, las longitudes de onda son mucho mayores que las longitudes de
los dispositivos, pudiendo así, hablarse de autoinducciones, capacidades,
resistencias, etc., debido que no es preciso tener en cuenta la propagación
efectiva de la onda en dicho elemento; por el contrario, en las frecuencias
superiores a las de m. son aplicables los métodos de tipo ÓPTICO, debido a
que las longitudes de onda comienzan a ser despreciables frente a las
dimensiones de los dispositivos.
El método de análisis más general y ampliamente utilizado en m.
consiste en la utilización del campo electromagnético caracterizado por los
vectores (E, B, D y H en presencia de medios materiales), teniendo en cuenta
las ecuaciones de MAXWELL (v), que rigen su comportamiento y las
condiciones de contorno metálicos son muy frecuentes a estas frecuencias,
cabe destacar que, p.ej, el campo E es normal y el campo H es tangencial en
las proximidades externas de un conductor. No obstante, en las márgenes
externas de las m.
Se utilizan frecuentemente los métodos de análisis correspondientes al
rango contiguo del espectro; así, a frecuencias elevadas m. son útiles los
conceptos de RAYO, LENTE, etc., ampliamente utilizados en óptica, sobre todo
cuando la propagación es transversal electromagnética, (TEM, E y B
perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación) en el espacio libre.
34
APUNTES DE COMUNICACIONES
Por otro lado, a frecuencias bajas de m, colindantes con las
radiofrecuencias, es útil la teoría de circuitos con parámetros distribuidos, en la
que toma en cuenta la propagación efectiva que va a tener la onda en un
elemento cualquiera. Así, un trozo de cable metálico, que en baja frecuencia
representa simplemente un corto circuito que sirve para efectuar una conexión
entre elementos, dejando equipotenciales los puntos que une, a alta frecuencia
un sistema cuya frecuencia, por efecto peculiar, puede no ser despreciable y
cuya autoinducción puede causar una impedancia que sea preciso tomar en
cuenta. Entonces es preciso representar este cable a través de su impedancia
(resistencia y autoinducción) por unidad de longitud.
También en la parte de instrumentación experimental, generación y
transmisión de m, estas tienen peculiaridades propias que obligan a utilizar con
características diferentes a los de los rangos de frecuencias vecinos. Respecto
a limitaciones que impiden su funcionamiento a frecuencias de m., como a
continuación esquematizamos.
Las líneas de baja frecuencia son usualmente ABIERTAS, con lo cual, si
se intenta utilizar a frecuencias elevadas, automáticamente surgen problemas
de radiación de la energía electromagnética; para superar este inconveniente
es necesario confirmar los campos electromagnéticos, lo que normalmente se
efectúa por medio de contornos metálicos; así, los sistemas de transmisión
usuales a m. son, o bien líneas coaxiales, o bien, en general, guías de onda
continuadas por conductores abiertos o tuberías. En este sentido es ilustrativo
ver la evolución de un circuito resonante LC paralelo de baja frecuencia hacia
una cavidad resonante, que es circuito equivalente en m. Como a alta
frecuencia las inductancias y capacidades (ELECTROSTÁTICA; INDUCCIÓN
ELECTROMAGNÉTICA), cobran gran importancia, por pequeñas que sean, un
circuito resonante para frecuencias RELATIVAS ALTAS puede ser
sencillamente dos placas paralelas y una espira uniendo ambas placas; es para
reducir aún más la inductancia se ponen varias espiras en paralelo, se llega a
obtener una región completamente cerrada por paredes conductoras.
La energía electromagnética solo puede almacenarse en una cavidad a
frecuencias próximas a las denominadas de resonancia de la misma, las cuales
dependen fundamentalmente de su geometría; los campos anteriores penetran
solo en una capa delgada de las paredes metálicas siendo el espesor ô, de
esta capa, denominada profundidad de penetración, dependiente de la
frecuencia y de la conductividad del material que constituya a la cavidad a
través de la expresión ô= 2/WUO, donde W,U y son respectivamente la
frecuencia de la onda, la permeabilidad magnética y conductividad del material
(ELÉCTRICA, CONDUCCIÓN, ELECTROMAGNETISMO) así, para los
siguientes metales: aluminio, oro, cobre y plata, los valores de ô a 3Ghz son
respectivamente de 1,6, 1,4, 1,2 y 1,4 u.
De esta forma es fácil comprender que la energía disipada en las
cavidades, si éstas están hechas por buenos conductores, es pequeña, con lo
cual las Q, o factores de mérito de las cavidades resonantes Q =2 ƒƒ (energía
almacenada)/(energía disipada por ciclo), suelen estar en orden de 10 ^4,
pudiendo alcanzar valores mas elevados.
35
APUNTES DE COMUNICACIONES
Por otra parte el pequeño valor de ô permite fabricar guías de excelente
calidad con un simple recubrimiento interior de buen material conductor,
(plateado o dorado).
La utilización en m, de las válvulas de vacío convencionales, como
amplificadores osciladores, esta limitada, por una parte, por el tiempo de
tránsito de los electrones en el interior de la válvula y, por otra, por las
inductancias y por las capacidades asociadas al cableado y los electrodos de la
misma.
El tiempo de tránsito al hacerse comparable con el período de las
oscilaciones, da lugar a que haya un defase entre el campo y las oscilaciones
de los electrones; esto implica un consumo de energía que disminuye la
impedancia de entrada de la válvula, aunque su rejilla, polarizada
negativamente, no capte electrones. Las inductancias y capacidades parásitas
causan efectos de resonancia y acople interelectrónico que también conducen
a una limitación obvia.
Son muchas las modificaciones sugeridas y utilizadas para superar estos
inconvenientes, basándose en los mismos principios de funcionamiento, pero, a
frecuencias ya de lleno en el rango de las m., tanto los circuitos de válvulas
como los semiconductores trabajan según una concepción completamente
diferente a los correspondientes de la baja frecuencia.
•
EJERCICIO DE SIMULACION USANDO MATLAB-SIMULINK
Sistema de Radar
Utilizando MATLAB y su programa asociado SIMULINK pueden utilizarse para
modelar y poner en práctica varios comportamientos del sistema. En esta
ocasión se utiliza para:
• Usar la ecuación del radar para ilustrar la variación en la potencia recibida en
un intervalo de distancias al objetivo par media de MATLAB.
Antecedentes:
En esta sección, MATLAB se utilizara para ilustrar la variación en la potencia
recibida en un intervalo de distancias al objetivo.
La ganancia de la antena es:
36
APUNTES DE COMUNICACIONES
Dónde
P R = Potencia recibida en watts
PT = potencia transmitida en watts
f = frecuencia de operación en hertz
c = velocidad de la luz
G = ganancia de la antena
σT = sección transversal de radar del objetivo en metros cuadrados.
r = alcance (distancia al objetivo) en metros.
Ejecución
Inicie MATLAB y luego agregue la trayectoria del directorio con el archivo
"radar.m". Si el archivo se localiza en el directorio "c:\mywork", entonces teclee
lo siguiente en el cursar de MATLAB.
»addpath c:\rny work
Para ejecutar el programa, introduzca la siguiente instrucción en el cursor de
MATLAB y escriba los valores apropiados cuando se indique
»radar
Patencia transmitida = 10 000 W
Frecuencia de operación = 9.5e9 Hz
Ganancia de antena = 100
Sección transversal de radar del objetivo = 10.2 m2
Alcance mínima = 5e3 m
Alcance máxima = 25e3 m
37
APUNTES DE COMUNICACIONES
2.3.1 MODULACION EN MICROONDAS
Los generadores de microondas son generadores críticos en cuanto a la
tensión y la corriente de funcionamiento.
Uno de los medios es no actuar sobre el generador o amplificador pero
si utilizar un dispositivo diodo pin en la guía de salida, modulada directamente
la amplitud de la onda.
Otro medio es utilizar un desfasador de ferrita y modular la onda en fase.
En este caso es fácil obtener modulación en frecuencia a través del siguiente
proceso:
En una primera etapa, se modula en FM una portadora de baja
frecuencia, por ejemplo 70 Mhz.
En una segunda etapa, esta portadora modulada es mezclada con la
portadora principal en frecuencia de Ghz, por ejemplo 10 Ghz.
Un filtro de frecuencias deja pasar la frecuencia suma, 10070 Mhz con
sus bandas laterales de 3 Mhz y por lo tanto la banda pasante será de 10067 a
10073 Mhz que es la señal final de microondas.
En el receptor se hace la mezcla de esta señal con el oscilador local de
10 Ghz seguido de un filtro que aprovecha la frecuencia de diferencia 70 Mhz la
cual es amplificada y después detectada por las técnicas usuales en FM.
2.3.2 VENTAJAS DE LOS RADIOENLACES DE MICROONDAS
COMPARADOS CON LOS SISTEMAS DE LÍNEA METÁLICA
Volumen de inversión generalmente más reducido.
Instalación más rápida y sencilla
Conservación generalmente más económica y de actuación rápida.
Puede superarse las irregularidades del terreno.
La regulación solo debe aplicarse al equipo, puesto que las
características del medio de transmisión son esencialmente constantes en el
ancho de banda de trabajo.
Puede aumentarse la separación entre repetidores, incrementando la
altura de las torres.
38
APUNTES DE COMUNICACIONES
2.3.3 DESVENTAJAS DE LOS RADIOENLACES DE MICROONDAS
COMPARADOS CON LOS SISTEMAS DE LÍNEA METÁLICA
Explotación restringida a tramos con visibilidad directa para los enlaces.
Necesidad de acceso adecuado a las estaciones repetidoras en las que
hay que disponer de energía y acondicionamiento para los equipos y servicios
de conservación. Se han hecho ensayos para utilizar generadores autónomos y
baterías de células solares.
La segregación, aunque es posible y se realiza, no es tan flexible como
en los sistemas por cable
Las condiciones atmosféricas pueden ocasionar desvanecimientos
intensos y desviaciones del haz, lo que implica utilizar sistemas de diversidad y
equipo auxiliar requerida, supone un importante problema en diseño.
2.3.4 ESTRUCTURA GENERAL DE UN RADIOENLACE POR
MOCROONDAS
EQUIPOS
Un radioenlace esta constituido por equipos terminales y repetidores
intermedios. La función de los repetidores es salvar la falta de visibilidad
impuesta por la curvatura terrestre y conseguir así enlaces superiores al
horizonte óptico. La distancia entre repetidores se llama vano.
Los repetidores pueden ser:
Activos
Pasivos
En los repetidores pasivos o reflectores.
No hay ganancia
Se limitan a cambiar la dirección del haz radielectrónico.
39
APUNTES DE COMUNICACIONES
2.3.5 PLANES DE FRECUENCIA - ANCHO DE BANDA EN UN
RADIOENLACE POR MICROONDAS
En una estación terminal se requieran dos frecuencias por radiocanal.
Frecuencia de emisión
Frecuencia de recepción
Es una estación repetidora que tiene como mínimo una antena por cada
dirección, es absolutamente necesario que las frecuencias de emisión y
recepción estén suficientemente separadas, debido a:
1.
La gran diferencia entre los niveles de las señales emitida y recibida, que
puede ser de 60 a 90 dB.
2.
La necesidad de evitar los acoples entre ambos sentidos de transmisión.
3.
La directividad insuficiente de las antenas sobre todas las ondas
métricas.
Por consiguiente en ondas métricas (30-300 Mhz) y decimétricas (300
Mhz - 3 Ghz), conviene utilizar cuatro frecuencias (plan de 4 frecuencias).
En ondas centimétricas, la directividad es mayor y puede emplearse un
plan de 2 frecuencias.
2.3.6 GENERACIÓN DE MICROONDAS
Quizás fue el MAGNETRON, como generador de m. De alta potencia, el
dispositivo que dio pie al desarrollo a gran escala de las m., al abrir paso a la
utilización de sistemas de radar durante la II Guerra Mundial; sin embargo,
fueron KLYSTRONS, los que dieron una mayor versatilidad de utilización de las
m., sobre todo en el campo de las comunicaciones, permitiendo además una
mayor comprensión de los fenómenos que tiene en lugar los tubos de m.
El principio básico de funcionamiento de estos generadores es la
modulación de velocidad de un haz electrónico que al atravesar una cavidad
resonante, excita en ella oscilaciones electromagnéticas de la frecuencia de m,
deseada. El estudio de los KLYSTRONS obligó a un amplio desarrollo desde
los fenómenos de carga espacial, la interpretación de la operación de los tubos
Sin embargo, fue el desarrollo de otro tipo de válvulas, las de ONDA
PROGRESIVA (TWT, Travelling-Wave Tube); siglas de ésta clase de tubos, las
que dieron lugar a una mejor compresión de los fenómenos que tienen lugar en
los haces electrónicos, sobre todo en lo que respecta a las ondas
electromecánicas, daban lugar a amplificación o generación de m.
40
APUNTES DE COMUNICACIONES
Para que este acoplamiento sea efectivo es preciso reducir la velocidad
de fase de la onda electromagnética lo cual se hace mediante estructuras
periódicas de entre las cuales la más utilizada es la hélice; de esta forma es
posible mantener una iteración continuada entre la onda electromagnética y el
haz electrónico, modulado en velocidad, y consecuentemente en densidad, que
va cediendo su energía, digamos cinética, a la onda electromagnética.
Posteriormente también se desarrollo el tubo de onda regresiva (BWO<
Backward- wave oscillator), en el cual la velocidad de fase de la onda va en
dirección opuesta al flujo de energía en el circuito, que ofrecí a, además, una
mayor amplitud de sintonía en frecuencia mediante control electrónico.
Los dispositivos anteriores se basan en la conversión de energía de
continuidad en la energía de m, mientras que los amplificadores paramétricos
(AMPLIFICADOR, 8) utilizan como fuente de energía una de alterna que
convierten, por un procedimiento de mezcla, en la de alta frecuencia deseada.
En lugar de utilizar como elemento resistivo, utilizan un elemento
reactivo, como puede ser un diodo de capacidad variable, y de aquí el bajo
nivel de ruido que se puede lograr. Un fundamento análogo tienen los
amplificadores cuánticos MASER. Son estos amplificadores de bajo nivel de
ruido los que han abierto un gran campo de operación en radioastronomía, así
como las intercontinentales vía satélite etc.
Un problema conserniente al desarrollo de las m, lo ha constituido hasta
ahora el precio elevado de los generadores; ha sido el descubrimiento de los
osciladores a semiconductores el que a abaratado, va camino de hacerlo aun
más, dichos generadores, con el cual el campo de aplicaciones de las m.
Está creciendo a un nivel tal que impide predecir las repercusiones
futuras, que incluso pueden ser negativas. Estos dispositivos también tienen
una concepción diferente a los usuarios de baja frecuencia esencial en que en
los de baja frecuencia los electrones del semiconductor son TIBIOS en el
sentido que sus energías no difieren grandemente de la red del material,
mientras que en los de m. Los electrones son CALIENTES, con energías
eléctricas adquiridas de campos eléctricos elevados, que pueden ser muy
superiormente a energía de m.
El primero de estos dispositivos se basó en el denominado efecto GUNN
que se presenta en semiconductores compuestos, como el arseniuro de galio,
material en el fue inicialmente detectado, y desde entonces se han descrito
muchos dispositivos, algunos basados en fenómenos bulímicos en el
semiconductor, como los gunn, y otros fenómenos que tienen lugar en uniones
de semiconductores.
41
APUNTES DE COMUNICACIONES
2.3.7 TRANSMISIÓN DE MICROONDAS
Un sistema en el que se utilizan localmente las m. Constará
fundamentalmente de un generador y de un medio de transmisión de la onda
hasta la carga; en caso contrario, tendremos necesidad de un sistema emisor y
otro receptor, estando el emisor compuesto por los elementos anteriormente
citados, donde la carga será una antena emisora, mientras que el receptor será
otra antena, medio de transmisión y detector adecuado.
Además de estos elementos existirán otras componentes como pueden
ser atenuadores, desfasadores, frecuencimetros, medidores de onda
estacionaria, etc.; nosotros nos vamos a circunscribir fundamentalmente a la
guía de onda, como elemento fundamental de transmisión a éstas frecuencias.
Como ya se ha citado, la guía de onda es esencia una tubería metálica,
a través de la cual se propaga el campo electromagnético sin prácticamente
atenuación, dependiendo esta del material de que la misma esté fabricada; así,
a una frecuencia determinada, y para una geometría concreta, la atenuación
será tanto menor cuanto mejor conductor sea el material. A diferencia de lo que
ocurre en el medio libre, en el que el haz de ondas electromagnéticas es mas o
menos divergente y sus campos transversales electromagnéticos (ondas TEM,
ya citadas), en una guía el campo esta confinado en su interior, evitándose la
radiación hacia el exterior, y sus campos ya no pueden ser TEM sino que han
de hacer necesariamente del tipo TE (campo electrónico transversal a la
dirección de propagación), o bien TM (campo magnético transversal) o bien
híbridos, es decir, mezcla de TE y TM.
La configuración de la geometría, tipo de excitación de la guía y
frecuencia, ocurriendo además que ciertas configuraciones de campo,
denominadas modos, solo son posibles a frecuencias superiores a una
determinada, denominada frecuencia de corte, existiendo un modo de
propagación de dichos campos, el modo fundamental, que posee la frecuencia
de corte mínima. Por debajo de esta frecuencia la guía no propaga la energía
electromagnética.
2.3.8 APLICACIONES DE LAS MICROONDAS
Sin duda podemos decir que el campo mas valioso de aplicación de las
m. es el ya mencionado de las comunicaciones, desde las que pudiéramos
denominar privadas, pasando por las continentales e intercontinentales, hasta
llegar a las extraterrestres.
42
APUNTES DE COMUNICACIONES
En este terreno, las m. actúan generalmente como portadoras de
información, mediante una modulación o codificación apropiada. En los
sistemas de radar, cabe citar desde los empleados en armamento y
navegación, hasta los utilizados en sistemas de alarma; estos últimos sistemas
suelen también basarse en efecto DOPPLER o en cambios que sufre la razón
de onda estacionaria (SWR) de una antena, pudiendo incluso reconocerse la
naturaleza del elemento de alarma. Sistema automático de puertas, medida de
velocidad de vehículos, etc.
Otro gran campo de aplicación es el que se pudiera denominar científico.
En radioastronomía ocurre que las radiaciones extraterrestres con frecuencia
comprendidas entre 10 Mhz y 10Ghz pueden atravesar el filtro impuesto por la
atmósfera y llegar hasta nosotros.
Entre estas radiaciones están algunas de tipo espectral, como la línea de
1420 OH, y otras de tipo continuo debidas a radiación térmica, emisión
giromagnética, sincrotónica, etc. La detección de estas radiaciones permite
obtener información de la dinámica y constitución del universo. En el estudio de
los materiales (eléctricos, magnéticos, palmas) las m. se pueden utilizar bien
para la determinación de parámetros macroscópicos, como son la permitividad
eléctrica y la permeabilidad magnética, bien para el estudio directo de la
estructura molecular de la materia mediante técnicas espectroscópicas y de
resonancia.
En el campo médico y biológicose utilizan las m. Para la observación de
cambios fisiológicos significativos de parámetros del sistema circulatorio y
respiratorio.
Es imposible hacer una enumeración exhaustiva de aplicaciones que,
aparte de las ya citadas, pueden ir desde la mera confección de juguetes hasta
el controlar de procesos o funcionamiento de computadores ultra rápidos.
Quizá el progreso futuro de las microondas. Esta en el desarrollo cada día
mayor, de los dispositivos a estado sólido, en los cuáles se consigue una
disminución de precio y tamaño que puede llegar a niveles insospechados;
estos sistemas son la combinación de los generadores a semiconductores con
las técnicas de circuiteria integrada, fácilmente adaptables a la producción en
masa.
Sin embargo no todo son beneficios; un crecimiento incontrolado de la
utilización de las m, puede dar lugar a problemas no solo de congestión del
espectro, interferencias, etc., sino también de salud humana; este último
aspecto no está lo suficientemente estudiado, como se deduce del hecho de
que los índices de peligrosidad sean marcadamente diferentes de unos países
a otros.
43
APUNTES DE COMUNICACIONES
2. 3.9
PROPAGACION DE MICROONDAS
Las microondas ocupan una porción del espectro de frecuencias entre 1
y 300 Ghz que corresponde a 10 cm y mm respectivamente, en longitudes de
onda. En la práctica son ondas del orden de 1 Ghz a 12 Ghz.
La banda espectral de las microondas de divide en sub-bandas tal como
se muestra en la tabla.
FRECUENCIA
(GHz)
S
X
K
Q
1.5 A 8
8 A 12.5
12.5 A 40
40 A 50
LONGITUD
DE
ONDA
APROXIMADA
(Cm)
10
3
1.1
0.8
Sub-bandas en las que se divide la banda espectral de las microondas.
Los sistemas de microondas son usados en enlaces de televisión, en
multienlaces telefónicos y general en redes con alta capacidad de canales de
información.
Las microondas atraviesan fácilmente la ionosfera y son usadas también
en comunicaciones por satélites.
La longitud de onda muy pequeña permite antenas de alta ganancias.
Como el radio de fresnel es relativamente pequeño, la propagación se
efectúa como en el espacio libre.
Básicamente un enlace vía microondas consiste en tres componentes
fundamentales: El Transmisor, El receptor y El Canal Aéreo. El Transmisor es
el responsable de modular una señal digital a la frecuencia utilizada para
transmitir, El Canal Aéreo representa un camino abierto entre el transmisor y el
receptor, y como es de esperarse el receptor es el encargado de capturar la
señal transmitida y llevarla de nuevo a señal digital.
El factor limitante de la propagación de la señal en enlaces microondas
es la distancia que se debe cubrir entre el transmisor y el receptor, además
esta distancia debe ser libre de obstáculos.
Otro aspecto que se debe señalar es que en estos enlaces, el camino
entre el receptor y el transmisor debe tener una altura mínima sobre los
obstáculos en la vía, para compensar este efecto se utilizan torres para ajustar
dichas alturas.
44
APUNTES DE COMUNICACIONES
2.3.10 ANTENAS Y TORRES DE MICROONDAS
La distancia cubierta por enlaces microondas puede ser incrementada
por el uso de repetidoras, las cuales amplifican y redireccionan la señal, es
importante destacar que los obstáculos de la señal pueden ser salvados a
través de reflectores pasivos. Las siguientes figuras muestran como trabaja un
repetidor y como se ven los reflectores pasivos.
La señal de microondas transmitidas es distorsionada y atenuada
mientras viaja desde el transmisor hasta el receptor, estas atenuaciones y
distorsiones son causadas por una perdida de poder dependiente a la
distancia, reflexión y refracción debido a obstáculos y superficies reflectoras, y
a pérdidas atmosféricas.
Los sistemas microondas utilizan frecuencias que están en el rango de
los MHz y GHz, usualmente utilizan diferentes frecuencias para evitar
interferencias pero comparten algunas bandas de frecuencias.
La ingeniería de microondas/milimétricas tiene que ver con todos
aquellos dispositivos, componentes y sistemas que trabajen en el rango
frecuencial de 300 MHz a 300 GHz. Debido a tan amplio margen de
frecuencias, tales componentes encuentran aplicación en diversos sistemas de
comunicación. Ejemplo típico es un enlace de Radiocomunicaciones terrestre a
6 GHz en el cual detrás de las antenas emisora y receptora, hay toda una
circuitería capaz de generar, distribuir, modular, amplificar, mezclar, filtrar y
detectar la señal. Otros ejemplos lo constituyen los sistemas de comunicación
por satélite, los sistemas radar y los sistemas de comunicación móviles, muy en
boga en nuestros días.
La siguiente es una lista de frecuencias utilizadas por los sistemas de
microondas:
Common Carrier Operational Fixed
2.110 2.130 GHz
1.850 1.990 GHz
2.160 2.180 GHz
2.130 2.150 GHz
3.700 4.200 GHz
2.180 2.200 GHz
5.925 6.425 GHz
2.500 2.690 GHz
10.7 11.700 GHz
45
APUNTES DE COMUNICACIONES
6.575 6.875 GHz
12.2 12.700 GHz
Debido al uso de las frecuencias antes mencionadas algunas de las
ventajas son:
Antenas relativamente pequeñas son efectivas.
A estas frecuencias las ondas de radio se comportan como ondas de
luz, por ello la señal puede ser enfocada utilizando antenas parabólicas y
antenas de embudo, además pueden ser reflejadas con reflectores pasivos.
Ora ventaja es el ancho de banda, que va de 2 a 24 GHz.
Como todo en la vida, el uso de estas frecuencias también posee
desventajas:
Las frecuencias son susceptibles a un fenómeno llamado Disminución
de Multicamino (Multipath Fafing), lo que causa profundas disminuciones en el
poder de las señales recibidas.
A estas frecuencias las pérdidas ambientales se transforman en un
factor importante, la absorción de poder causada por la lluvia puede afectar
dramáticamente el Performance del canal.
•
EJERCICIO DE SIMULACION USANDO MATLAB-SIMULINK
Sistema de relación de densidad de ruido
Antecedentes:
Utilizando MATLAB y su programa asociado SIMULINK pueden utilizarse para
modelar y poner en práctica varios comportamientos del sistema. En esta
ocasión se utiliza para:
• MATLAB se utiliza para graficar la razón de energía por bit a densidad de
ruido en un margen de espaciamiento de antena, suponiendo una temperatura
de de 350 K. EI usuario introduce las potencias, transmitida y recibida, la
frecuencia y la tasa de bits, así el espaciamiento de antena máximo y mínimo.
Antecedentes:
Las ecuaciones puestas en práctica se basan en las anteriores.
Ejecución:
Inicie MATLAB y Luego agregue la trayectoria del el archivo ·'ebtono.m". Si el
archivo se localiza en el directorio "c:\mywork", entonces, teclee lo siguiente en
el cursor de MATLAB.
46
APUNTES DE COMUNICACIONES
addpath c:\mywork
A continuación, ejecute el programa de la siguiente forma:
»ebtono
Siga los mensajes para introducir la infamación requerida. Vuelva a ejecutar el
programa con distintos valores de entrada.
La grafica siguiente se obtuvo por media de los valores que a continuación se
presentan:
Frecuencia portadora del transmisor en megahertz = 6000
Tasa de transferencia de bits del sistema en bits/seg = 4Oe6
Potencia del transmisor en watts = 2
Ganancia de la antena transmisora en dB = 20
Ganancia de la antena receptora en dB = 25
Distancia mínima entre receptor y transmisor en Km. = 20
Distancia máxima entre receptor y transmisor en Km. = 6
2.4 TRANSMISION Y RECEPCION DE TELEVICION
2.4.1 Transmisión de Televisión
El Servicio de Transmisión de Televisión se realiza a través de las
estaciones terrenas de Tarbaca y Guatuso que operan con los satélites 325 y
335 de la Región Oceánica del Atlántico de INTELSAT.
Para brindarle un servicio de calidad, se opera con el estándar de 525
líneas en el sistema NTSC, con conectividad a cualquier país del mundo y con
la posibilidad del doble salto satelital para enlazar las regiones oceánicas del
Pacífico y del Índico.
47
APUNTES DE COMUNICACIONES
Además, ofrece un sistema de televisión digital por microondas de 34
kilohertz, que permite interconectividad con las capitales de los países del área
Centroamericana.
La primera transmisión de televisión se produjo el 17 de octubre de
1951, fue la primera transmisión experimental de televisión en la Argentina.
2.4.2 Canales
La emisión de televisión presenta una serie de problemas específicos
que no existen en las emisiones normales de sonido, siendo el principal el
ancho de banda. Modular una onda electromagnética implica generar una serie
de frecuencias denominadas bandas laterales que corresponden a la suma y a
la diferencia entre la frecuencia de radio, o portadora, y la frecuencia
moduladora. Estas frecuencias hacen que se produzcan muy pocas
interferencias.
Para que en una misma zona geográfica se disponga de muchos
canales es preciso utilizar frecuencias de transmisión relativamente elevadas
para las portadoras de televisión.
2.4.3 Emisión de alta frecuencia
La utilización de estas frecuencias para la emisión de televisión plantea
una serie de problemas. Mientras que la zona de servicio de una emisora
normal de radio puede tener un radio muy por encima de los 160km, la de la
emisora de televisión está limitada a unos 56km, dependiendo de la altura, de
las antenas emisoras y receptoras. La cobertura total para un país de cierta
extensión requiere muchas más estaciones de televisión que la radiodifusión
ordinaria.
Otros de los problemas que tiene la utilización de alta frecuencia para la
emisión de televisión consisten en que a dichas frecuencias, las ondas de radio
se comportan casi como ondas luminosas y se reflejan en objetos sólidos,
como montañas o edificios. Este problema ha quedado resuelto por la
utilización de antenas receptoras especiales con una ganancia muy elevada
para amplificar señales débiles.
2.4.4 Televisión por satélite
Además del cable y las estaciones repetidoras terrestres, el satélite
artificial constituye otro medio de transmisión de señales a grandes distancias.
Un repetidor de microondas en un satélite retransmite la señal a una estación
receptora terrestre, que se encarga de distribuirla a nivel local.
48
APUNTES DE COMUNICACIONES
Los problemas principales de los satélites de comunicaciones para la
transmisión son la distorsión y el debilitamiento de la señal al atravesar la
atmósfera. Puesto que se trata de distancias tan grandes se producen retrasos,
que a veces originan ecos. Ciertos satélites repetidores de televisión
actualmente en órbita están concebidos para retransmitir señales de una
estación comercial a otras. Algunas personas han instalado en sus hogares
antenas parabólicas que captan la misma transmisión que eludiendo a menudo
el pago de las tarifas por utilización de la televisión por cable, aunque ya se
están efectuando transmisiones codificadas para evitar este fraude.
2.4.5 Métodos de transmisión
Hay propuestos numerosos métodos de transmisión de señales de
televisión en color. Una de las varias clasificaciones de estos métodos es la
correspondiente a las características de tiempo, una de las más importantes,
en la que los sistemas pueden ser clasificados como:
-sistemas simultáneos, en que los tres elementos de información necesarios
para un elemento de imagen son transmitidos simultáneamente.
- sistemas secuénciales, en que los tres elementos de información son
transmitidos sucesivamente. Estos sistemas se subdividen en:
-Campo secuencial.
-Línea secuencial.
-Punto secuencial.
Los sistemas de televisión también pueden clasificarse de acuerdo con
las cantidades representadas explícitamente por las señales transmitidas:
-Intensidades de colores primarios individuales.
-Intensidad de brillo visual mas dos señales auxiliares representando la
diferencia entre el brillo aparente y las intensidades de rojo y azul
respectivamente.
-Intensidad compuesta, matiz y saturación.
2.4.6 Receptores de televisión
El elemento más importante del receptor de televisión es el tubo de imágenes o
cinescopio, que se encarga de convertir los impulsos eléctricos de la señal de
televisión en haces coherentes de electrones que inciden sobre la pantalla final
del tubo, produciendo luz así como una imagen continua fig (15).
49
APUNTES DE COMUNICACIONES
Cinescopio
Otro elemento del receptor de televisión es la pantalla, formada por un
recubrimiento de la parte interior del tubo con alguno de los muchos tipos de
productos químicos conocidos como sustancias fosforescentes, que presentan
la propiedad de la luminiscencia al estar sometido a un bombardeo de un haz
de electrones. Cuando el tubo está encendido el haz de electrones es
perceptible en la pantalla en forma de un pequeño punto luminoso.
2.4.7 Circuitos receptores
Los circuitos de los receptores modernos de televisión son a la fuerza
muy complejos. La señal que recibe la antena se sintoniza y se amplifica en la
etapa de radiofrecuencia. En la etapa de modulación la señal se mezcla con la
salida de un oscilador local en el receptor que genera una frecuencia
constante. Esta mezcla, o modulación, produce frecuencias heterodina
correspondientes a la señal de imagen y a la de sonido. Una vez separadas por
circuitos filtro que permiten el paso de una banda de frecuencias y rechazan
todas las demás, ambas señales se amplifican independientemente. La señal
de sonido se amplifica en un amplificador intermedio, se demodula y se vuelve
a amplificar de nuevo con un amplificador audio igual que en los receptores
ordinarios de FM. En muchos de los receptores modernos, la señal de sonido
se separa de la imagen en una etapa posterior en el amplificador de vídeo.
La señal de vídeo también se amplifica mediante un dispositivo
intermedio independiente y a continuación se detecta. Tras someterla a otra
amplificación posterior, la señal se divide con circuitos filtro en dos
componentes separados. La señal de cámara y los impulsos de borrado pasan
directamente a la rejilla del cinescopio para controlar la intensidad del haz de
los electrones. Los dos conjuntos de impulso de sincronización se separan por
filtrado en los componentes verticales y horizontales y se aplican a los
osciladores que generan los voltajes usados para reflectar el haz de electrones.
Las salidas de los osciladores vertical y horizontal se amplifican y se conducen
al correspondiente conjunto de imanes deflectores del cinescopio a fin de
formar el esquema de barrido.
50
APUNTES DE COMUNICACIONES
2.4.8
Teletexto
El sistema de teletexto visualiza en la pantalla del televisor información
impresa y diagramas sencillos. Utiliza algunas de las líneas de reserva
disponibles en la señal ordinaria de emisión. El descodificador de televisión se
encarga de filtrar el teletexto del resto de la información de imágenes y de
visualizarla a continuación en pantalla. Una pantalla normal de teletexto resulta
bastante pobre comparada con la de las computadoras, ya que está formado
por sólo 24 líneas de 40 caracteres.
2.5 SATELITES
Esencialmente, un satélite es un repetidor de radio en el cielo (transponder).
Un sistema de satélite consiste de un transponder, una estación basada en
tierra, para controlar el funcionamiento y una red de usuario, de las estaciones
terrestres, que proporciona las facilidades para transmisión y recepción de
tráfico de comunicaciones, a través del sistema de satélite. Las transmisiones
de satélites se catalogan como bus o carga útil. La de bus incluye mecanismos
de control que apoyan la operación de carga útil. La de carga útil es la
información del usuario que será transportada a través del sistema. Aunque en
los últimos años los nuevos servicios de datos y radioemisión de televisión son
mas y más demandados, la transmisión de las señales de teléfono de voz
convencional (en forma analógica o digital).
2.5.1 SATELITES ORBITALES
Los satélites mencionados, hasta el momento, son llamados satélites
orbítales o no síncronos. Los satélites no síncronos giran alrededor de la Tierra
en un patrón elíptico o circular de baja altitud. Si el satélite esta girando en la
misma dirección de la rotación de la Tierra y a una velocidad angular superior
que la de la Tierra, la órbita se llama órbita progrado. Si el satélite esta girando
en la dirección opuesta a la rotación de la Tierra o en la misma dirección, pero
a una velocidad angular menor a la de la Tierra, la órbita se llama órbita
retrograda. Consecuentemente, los satélites no síncronos están alejándose
continuamente o cayendo a Tierra, y no permanecen estacionarios en relación
a ningún punto particular de la Tierra. Por lo tanto los satélites no síncronos se
tienen que usar cuando están disponibles, lo cual puede ser un corto periodo
de tiempo, como 15 minutos por órbita. Otra desventaja de los satélites
orbítales es la necesidad de usar un equipo costoso y complicado para rastreo
en las estaciones terrestres. Cada estación terrestre debe localizar el satélite
conforme esta disponible en cada órbita, y después unir su antena al satélite y
localizarlo cuando pasa por arriba. Una gran ventaja de los satélites orbítales
es que los motores de propulsión no se requieren a bordo de los satélites para
mantenerlos en sus órbitas respectivas.
51
APUNTES DE COMUNICACIONES
2.5.2
SATELITES GEOESTACIONARIOS
Los satélites geoestacionarios o geosíncronos son satélites que giran en
un patrón circular, con una velocidad angular igual a la de la Tierra.
Consecuentemente permanecen en una posición fija con respecto a un punto
específico en la Tierra. Una ventaja obvia es que están disponibles para todas
las estaciones de la Tierra, dentro de su sombra, 100% de las veces. La
sombra de un satélite incluye todas las estaciones de la Tierra que tienen un
camino visible a él y están dentro del patrón de radiación de las antenas del
satélite. Una desventaja obvia es que a bordo, se requieren de dispositivos de
propulsión sofisticados y pesados para mantenerlos fijos en una órbita. El
tiempo de órbita de un satélite geosíncrono es de 24 h. igual que la Tierra.
2.5.3 CLASIFICACIONES ORBITALES, ESPACIAMIENTO Y
ASIGNACIONES DE FRECUENCIA
Hay dos clasificaciones principales para los satélites de comunicaciones:
hiladores (spinners) y satélites estabilizadores de tres ejes. Los satélites
espinar, utilizan el movimiento angular de su cuerpo giratorio para proporcionar
una estabilidad de giro. Con un estabilizador de tres ejes, el cuerpo permanece
fijo en relación a la superficie de la Tierra, mientras que el subsistema interno
proporciona una estabilización de giro.
Los satélites geosíncronos deben compartir espacio y espectro de
frecuencia limitados, dentro de un arco específico, en una órbita
geoestacionaria, aproximadamente a 22,300 millas, arriba del Ecuador. La
posición en la ranura depende de la banda de frecuencia de comunicación
utilizada. Los satélites trabajando, casi o en la misma frecuencia, deben estar lo
suficientemente separados en el espacio para evitar interferir uno con otro. Hay
un límite realista del número de estructuras satelitales que pueden estar
estacionadas, en un área específica en el espacio. La separación espacial
requerida depende de las siguientes variables:
•
Ancho del haz y radiación del lóbulo lateral de la estación terrena y
antenas del satélite.
•
Frecuencia de la portadora de RF.
•
Técnica de codificación o de modulación usada.
•
Límites aceptables de interferencia.
•
Potencia de la portadora de transmisión.
Generalmente, se requieren de 3 a 6º de separación espacial
dependiendo de las variables establecidas anteriormente.
52
APUNTES DE COMUNICACIONES
Las frecuencias de la portadora, más comunes, usadas para las
comunicaciones por satélite, son las bandas 6/4 y 14/12 GHz. El primer número
es la frecuencia de subida (ascendente) (estación terrena a transponder) y el
segundo número es la frecuencia de bajada (descendente) (transponder a
estación terrena). Diferentes frecuencias de subida y de bajada se usan para
prevenir que ocurra repetición. Entre mas alta sea la frecuencia de la portadora,
más pequeño es el diámetro requerido de la antena para una ganancia
específica. La mayoría de los satélites domésticos utilizan la banda 6/4 GHz.
Desafortunadamente, esta banda también se usa extensamente para los
sistemas de microondas terrestres. Se debe tener cuidado cuando se diseña
una red satelital para evitar interferencia de, o interferencia con enlaces de
microondas establecidas.
2.5.4 MODELOS DE ENLACE DEL SISTEMA SATELITAL
Esencialmente, un sistema satelital consiste de tres secciones básicas:
una subida, un transponder satelital y una bajada.
Modelo de subida
El principal componente dentro de la sección de subida satelital, es el
transmisor de estación terrena. Un típico transmisor de la estación terrena
consiste de un modulador de IF, un convertidor de microondas de IF a RF, un
amplificador de alta potencia (HPA) y algún medio para limitar la banda del
último espectro de salida (por ejemplo, un filtro pasa-bandas de salida). El
modulador de IF se convierte la IF convierte las señales de banda base de
entrada a una frecuencia intermedia modulada en FM, en PSK o en QAM. El
convertidor (mezclador y filtro pasa-bandas) convierte la IF a una frecuencia de
portadora de RF apropiada. El HPA proporciona una sensibilidad de entrada
adecuada y potencia de salida para propagar la señal al transponder del
satélite. Los HPA comúnmente usados son klystons y tubos de onda
progresiva.
Transponder
Un típico transponder satelital consta de un dispositivo para limitar la
banda de entrada (BPF), un amplificador de bajo ruido de entrada (LNA), un
traslador de frecuencias, un amplificador de potencia de bajo nivel y un filtro
pasa-bandas de salida. Este transponder es un repetidor de RF a RF. Otras
configuraciones de transponder son los repetidores de IF, y de banda base,
semejantes a los que se usan en los repetidores de microondas.
53
APUNTES DE COMUNICACIONES
Modelo de bajada
Un receptor de estación terrena incluye un BPF de entrada, un LNA y un
convertidor de RF a IF. Nuevamente, el BPF limita la potencia del ruido de
entrada al LNA. El LNA es un dispositivo altamente sensible, con poco ruido, tal
como un amplificador de diodo túnel o un amplificador paramétrico. El
convertidor de RF a IF es una combinación de filtro mezclador /pasa-bandas
que convierte la señal de RF recibida a una frecuencia de IF.
Enlaces cruzados
Ocasionalmente, hay aplicaciones en donde es necesario comunicarse
entre satélites. Esto se realiza usando enlaces cruzados entre satélites o
enlaces intersatelitales (ISL). Una desventaja de usar un ISL es que el
transmisor y receptor son enviados ambos al espacio. Consecuentemente la
potencia de salida del transmisor y la sensibilidad de entrada del receptor se
limitan.
•
EJERCICIO DE SIMULACION USANDO MATLAB-SIMULINK
Sistema de Satélite
Utilizando MATLAB y su programa asociado SIMULINK pueden utilizarse para
modelar y poner en práctica varios comportamientos del sistema. En esta
ocasión se utiliza para:
• Usar MATLAB para calcular y graficar el calculo de la relación portadora a
ruido para un receptor de satélite. Suponga que las perdidas entre el transmisor
del satélite y su antena son insignificantes.
Ejecución:
inicie MATLAB y luego agregue la trayectoria del directorio con el archivo
"cartoon.m". Si el archivo se localiza en el directorio "c:\mywork", entonces.
tec1ee lo siguiente en el cursor de MATLAB.
»addpath c:\mywork
A continuación, ejecute el programa como sigue:
»cartono
EI efecto de los cambios de varios parámetros se obtiene; al modificar algunos
de los valores escritos en el archivo de MATLAB "cartano.m". Vuelva a ejecutar
el programa diferentes valores de entrada.
54
APUNTES DE COMUNICACIONES
La grafica siguiente se obtuvo cuando se ejecuto el programa con valores
escritos directamente en un programa por defecto.
Frecuencia de la portadora del transmisor en megahertz = 4e3
Potencia mínima del transmisor en watts = 10
Patencia máxima del transmisor en watts = 50
Ganancia de la antena del transmisor en dB = 40
Ganancia de la antena del receptor en dB = 30
Longitud de la trayectoria en Km. = 40 000
Ancho de banda del receptor en hertz = 1000 000
Cifra de merito para el sistema receptor en dB = 21
2.6 SISTEMAS DE CABLE Y FIBRA OPTICA
2.6.1 FIBRA OPTICA
Introducción
La Historia de la comunicación por la fibra óptica es relativamente corta.
En 1977, se instaló un sistema de prueba en Inglaterra; dos años después, se
producían ya cantidades importantes de pedidos de este material.
Antes, en 1959, como derivación de los estudios en física enfocados a la
óptica, se descubrió una nueva utilización de la luz, a la que se denominó rayo
láser, que fue aplicado a las telecomunicaciones con el fin de que los mensajes
se transmitieran a velocidades inusitadas y con amplia cobertura.
Sin embargo esta utilización del láser era muy limitada debido a que no
existían los conductos y canales adecuados para hacer viajar las ondas
electromagnéticas provocadas por la lluvia de fotones originados en la fuente
denominada láser.
Fue entonces cuando los científicos y técnicos especializados en óptica
dirigieron sus esfuerzos a la producción de un conducto o canal, conocido hoy
como la fibra óptica.
55
APUNTES DE COMUNICACIONES
En 1966 surgió la propuesta de utilizar una guía óptica para la
comunicación.
Esta forma de usar la luz como portadora de información se puede
explicar de la siguiente manera: Se trata en realidad de una onda
electromagnética de la misma naturaleza que las ondas de radio, con la única
diferencia que la longitud de las ondas es del orden de micrómetros en lugar de
metros o centímetros.
Los circuitos de fibra óptica son filamentos de vidrio (compuestos de cristales
naturales) o plástico (cristales artificiales), del espesor de un pelo (entre 10 y
300 micrones). Llevan mensajes en forma de haces de luz que realmente
pasan a través de ellos de un extremo a otro, donde quiera que el filamento
vaya (incluyendo curvas y esquinas) sin interrupción.
Las fibras ópticas pueden ahora usarse como los alambres de cobre
convencionales, tanto en pequeños ambientes autónomos (tales como
sistemas de procesamiento de datos de aviones), como en grandes redes
geográficas (como los sistemas de largas líneas urbanas mantenidos por
compañías telefónicas).
¿Cómo Funciona la Fibra Óptica?
En un sistema de transmisión por fibra óptica existe un transmisor que
se encarga de transformar las ondas electromagnéticas en energía óptica o en
luminosa, por ello se le considera el componente activo de este proceso. Una
vez que es transmitida la señal luminosa por las minúsculas fibras, en otro
extremo del circuito se encuentra un tercer componente al que se le denomina
detector óptico o receptor, cuya misión consiste en transformar la señal
luminosa en energía electromagnética, similar a la señal original.
El sistema básico de transmisión se compone en este orden, de señal de
entrada, amplificador, fuente de luz, corrector óptico, línea de fibra óptica
(primer tramo ), empalme, línea de fibra óptica (segundo tramo), corrector
óptico, receptor, amplificador y señal de salida.
En resumen, se puede decir que este proceso de comunicación, la fibra
óptica funciona como medio de transportación de la señal luminosa, generado
por el transmisor de LED’S (diodos emisores de luz) y láser.
Los diodos emisores de luz y los diodos láser son fuentes adecuadas
para la transmisión mediante fibra óptica, debido a que su salida se puede
controlar rápidamente por medio de una corriente de polarización. Además su
pequeño tamaño, su luminosidad, longitud de onda y el bajo voltaje necesario
para manejarlos son características atractivas.
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APUNTES DE COMUNICACIONES
¿Cuáles son los dispositivos implícitos en este proceso?
Los bloques principales de un enlace de comunicaciones de fibra óptica
son: transmisor, receptor y guía de fibra. El transmisor consiste de una
interfase analógica o digital, un conversor de voltaje a corriente, una fuente de
luz y un adaptador de fuente de luz a fibra. La guía de fibra es un vidrio ultra
puro o un cable plástico. El receptor incluye un dispositivo conector detector de
fibra a luz, un foto detector, un conversor de corriente a voltaje un amplificador
de voltaje y una interfase analógica o digital En un transmisor de fibra óptica la
fuente de luz se puede modular por una señal análoga o digital.
Acoplando impedancias y limitando la amplitud de la señal o en pulsos
digitales.
El conversor de voltaje a corriente sirve como interfase eléctrica entre los
circuitos de entrada y la fuente de luz.
La fuente de luz puede ser un diodo emisor de luz LED o un diodo de
inyección láser ILD, la cantidad de luz emitida es proporcional a la corriente de
excitación, por lo tanto el conversor voltaje a corriente convierte el voltaje de la
señal de entrada en una corriente que se usa para dirigir la fuente de luz.
La conexión de fuente a fibra es una interfase mecánica cuya función es
acoplar la fuente de luz al cable.
La fibra óptica consiste de un núcleo de fibra de vidrio o plástico, una
cubierta y una capa protectora. El dispositivo de acoplamiento del detector de
fibra a luz también es un acoplador mecánico.
El detector de luz generalmente es un diodo PIN o un APD (fotodiodo de
avalancha). Ambos convierten la energía de luz en corriente. En consecuencia,
se requiere un conversor corriente a voltaje que transforme los cambios en la
corriente del detector a cambios de voltaje en la señal de salida.
Componentes y Tipos de Fibra Óptica
El Núcleo: En sílice, cuarzo fundido o plástico - en el cual se propagan
las ondas ópticas. Diámetro: 50 o 62,5 um para la fibra multimodo y 9um para
la fibra monomodo.
La Funda Óptica: Generalmente de los mismos materiales que el núcleo
pero con aditivos que confinan las ondas ópticas en el núcleo.
57
APUNTES DE COMUNICACIONES
El revestimiento de protección: por lo general esta fabricado en plástico y
asegura la protección mecánica de la fibra fig (16).
Los tipos de Fibra Óptica son:
Fibra Monomodo:
Potencialmente, esta es la fibra que ofrece la mayor capacidad de
transporte de información. Tiene una banda de paso del orden de los 100
GHz/km. Los mayores flujos se consiguen con esta fibra, pero también es la
más compleja de implantar. El dibujo muestra que sólo pueden ser transmitidos
los rayos que tienen una trayectoria que sigue el eje de la fibra, por lo que se
ha ganado el nombre de "monomodo" (modo de propagación, o camino del haz
luminoso, único). Son fibras que tienen el diámetro del núcleo en el mismo
orden de magnitud que la longitud de onda de las señales ópticas que
transmiten, es decir, de unos 5 a 8 m m.
Si el núcleo está constituido de un material cuyo índice de refracción es
muy diferente al de la cubierta, entonces se habla de fibras monomodo de
índice escalonado. Los elevados flujos que se pueden alcanzar constituyen la
principal ventaja de las fibras monomodo, ya que sus pequeñas dimensiones
implican un manejo delicado y entrañan dificultades de conexión que aún se
dominan mal fig (17).
58
APUNTES DE COMUNICACIONES
Fibra Multimodo de Índice Gradiante Gradual:
Las fibras multimodo de índice de gradiente gradual tienen una banda de paso
que llega hasta los 500MHz por kilómetro.
Su principio se basa en que el índice de refracción en el interior del
núcleo no es único y decrece cuando se desplaza del núcleo hacia la cubierta.
Los rayos luminosos se encuentran enfocados hacia el eje de la fibra, como se
puede ver en el dibujo. Estas fibras permiten reducir la dispersión entre los
diferentes modos de propagación a través del núcleo de la fibra.
La fibra multimodo de índice de gradiente gradual de tamaño 62,5/125 m
(diámetro del núcleo/diámetro de la cubierta) está normalizado, pero se pueden
encontrar otros tipos de fibras:- Multimodo de índice escalonado 100/140 mm.
- Multimodo de índice de gradiente gradual 50/125 m m fig (18).
Fibra Multimodo de índice escalonado:
Las fibras multimodo de índice escalonado están fabricadas a base de
vidrio, con una atenuación de 30 dB/km, o plástico, con una atenuación de 100
dB/km. Tienen una banda de paso que llega hasta los 40 MHz por kilómetro.
En estas fibras, el núcleo está constituido por un material uniforme cuyo índice
de refracción es claramente superior al de la cubierta que lo rodea. El paso
desde el núcleo hasta la cubierta conlleva por tanto una variación brutal del
índice, de ahí su nombre de índice escalonado fig (19).
59
APUNTES DE COMUNICACIONES
¿Qué tipo de conectores usa?
Con la Fibra Óptica se puede usar Acopladores y Conectores:
Acopladores:
Un acoplador es básicamente la transición mecánica necesaria para poder dar
continuidad al paso de luz del extremo conectorizado de un cable de fibra
óptica
a
otro.
Pueden ser provistos también acopladores de tipo "Híbridos", que permiten
acoplar dos diseños distintos de conector, uno de cada lado, condicionado a la
coincidencia del perfil del pulido.
Conectores:
1.- Se recomienda el conector 568SC pues este mantiene la polaridad.
La posición correspondiente a los dos conectores del 568SC en su adaptador,
se denominan como A y B. Esto ayuda a mantener la polaridad correcta en el
sistema de cableado y permite al adaptador a implementar polaridad inversa
acertada de pares entre los conectores
2.- Sistemas con conectores BFOC/2.5 y adaptadores (Tipo ST) instalados
pueden seguir siendo utilizados en plataformas actuales y futuras.
Identificación: Conectores y adaptadores Multimodo se representan por el color
marfil
Conectores y adaptadores Monomodo se representan por el color azul.
2.6.2 SISTEMAS DE CABLE
Introducción
Las empresas de distribución de energía, en un esfuerzo por mejorar el
nivel de calidad de servicio y confiabilidad en el suministro de energía eléctrica,
han investigado muchos tipos constructivos diferentes para líneas aéreas de
media tensión, provenientes de todo el mundo. Uno de esos tipos constructivos
ha sido usado en los Estados Unidos por más de 40 años: es el Sistema
"HENDRIX" de Cable Aéreo con Espaciadores (SCAE).
Este trabajo describe los conceptos básicos, historia y ventajas
comparativas con otros sistemas de línea aérea, así como aspectos de los
componentes individuales del sistema, incluyendo consideraciones de diseño.
60
APUNTES DE COMUNICACIONES
Concepto Básico
El SCAE puede describirse como una concepción altamente confiable
para distribución de energía eléctrica, consistente en conductores con una
gruesa capa de aislación, sin pantalla electrostática, sostenidos por una
combinación de hilo portante/conductor neutro de alta resistencia mecánica,
cuya separación se mantiene con espaciadores aislantes distanciados unos
9,00 metros entre ellos. La combinación de la alta resistencia mecánica del
conductor portante y el diseño coordinado de la aislación de la cubierta de los
conductores de fase, aisladores soporte y espaciadores, permiten una
proximidad de los conductores energizados, al mismo tiempo que se mantiene
un alto nivel de confiabilidad.
La resistencia y la durabilidad del sistema permiten mantener el servicio
eléctrico durante condiciones adversas tales como caída de árboles o ramas,
vientos fuertes y postes rotos. La compacticidad también reduce
significativamente la necesidad de podas, tanto inicialmente, durante la
construcción de la línea, como más tarde, para mantener la confiabilidad del
sistema.
Historia
Hacia fines de la década del 40, las empresas de distribución en los
Estados Unidos experimentaron el comienzo de un rápido crecimiento en el
número de usuarios de energía eléctrica. Este crecimiento de la demanda
provocó la expansión de los sistemas de distribución, que se llevó a cabo en
gran parte mediante el uso de conductores aéreos soportados por postes y
crucetas de madera.
A medida que los sistemas de distribución crecieron en complejidad, la
confiabilidad del servicio se tornó una preocupación mayor para los ingenieros
de distribución. La mayoría de los problemas de confiabilidad que
experimentaron las empresas estuvieron directamente relacionados con
tormentas, árboles y rayos.
Las opciones disponibles para la construcción de líneas aéreas eran, en
ese tiempo, las siguientes:
1) Conductores desnudos.
2) Conductores cubiertos con pared protectora delgada.
3) Conductores con aislación completa y blindaje, atados a cables portantes
(pre-ensamblados).
Cada uno de estos sistemas tiene ventajas e inconvenientes relativos a
costo, confiabilidad, duración y versatilidad cuando se usan para instalaciones
aéreas. El concepto de SCAE fue concebido y desarrollado para incorporar la
mayoría de las ventajas de cada uno de los sistemas mencionados más arriba,
y al mismo tiempo eliminar o reducir drásticamente las desventajas inherentes
a cada sistema.
61
APUNTES DE COMUNICACIONES
Estas ventajas e inconvenientes serán descriptos más detalladamente
cuando discutamos sus características operativas. La región noreste de los
Estados Unidos era el área que sufría los mayores problemas relativos a
confiabilidad. El rápido crecimiento de los sistemas de energía en áreas donde
los árboles cubrían del 60 al 80 por ciento de las zonas de servicio, sumados a
la formación de hielo severa, tormentas de nieve y viento, hicieron que la
confiabilidad de los sistemas eléctricos fuera muy reducida.
Estos problemas, que no son diferentes de los de otras áreas del mundo
en una forma u otra, hicieron nacer el SCAE. El sistema original fue un diseño
para 5 kV que fue rápidamente seguido por otro de Clase 15 kV. A medida que
las tensiones de los sistemas de distribución fueron en aumento, se
desarrollaron SCAE para 25, 35 y 46 kV. La confiabilidad fue tradicionalmente
la razón principal para el uso del Cable Aéreo con Espaciadores.
Adicionalmente a la confiabilidad, aparecieron luego otras ventajas con el
desarrollo del concepto.
Las ventajas más comúnmente mencionadas son:
a) Reducción de las necesidades de poda (tanto iniciales como de
mantenimiento).
b) Posibilidad de Construir circuitos múltiples sobre postes únicos, sin
necesidad de recurrir a postes muy altos.
c) Mejor regulación de tensión de los circuitos.
d) Reducción de campos electromagnéticos.
DESCRIPCIÓN DE LOS COMPONENTES
Cable Portante/Neutro
El SCAE utiliza un cable de alta resistencia mecánica como soporte de
los conductores. El cable portante consiste en un conductor Alumoweld
(núcleos individuales de acero con recubrimiento de aluminio) o un conductor
compuesto de Alumoweld y aluminio. El cable portante proporciona la
resistencia física para soportar el sistema (tanto bajo condiciones normales
como adversas) que se encuentran en la distribución aérea.
Hay 3 áreas principales en las que el cable portante interviene en la
integridad eléctrica y mecánica de todo el sistema. Estas áreas son:
A) El cable portante es el miembro resistente que da todo el soporte
mecánico a los conductores de fase y espaciadores.
B) En sistemas con puestas a tierra múltiple del centro de estrella, el
cable portante actúa como conductor neutro del sistema, dando un
camino continuo con puestas a tierra múltiples para las corrientes de
neutro.
62
APUNTES DE COMUNICACIONES
C) El cable portante proporciona un blindaje de protección pararrayos,
ya que tiene características de operación similares a un hilo de guardia
instalado en la cima de un poste de una línea de transmisión
convencional.
Un aspecto importante para asegurar la protección pararrayos es prever
adecuadas y frecuentes puestas a tierra del cable portante.
Las recomendaciones normales para puestas a tierra son como mínimo
una puesta a tierra cada 150 metros con una resistencia máxima de tierra de
25 ohms. Una puesta a tierra apropiada es esencial para el funcionamiento
confiable a largo término para el SCAE.
Conductores
Los conductores normalizados consisten en cuerdas compactas de
aluminio grado eléctrico 1350. El uso de esta configuración del conductor
proporciona la mejor relación de capacidad de conducción de corriente/peso
que es siempre importante en el diseño de sistemas aéreos. Dado que el cable
portante da el soporte mecánico al sistema, no hace falta recurrir al uso de
conductores de mayor resistencia mecánica como el aluminio acero o la
aleación de aluminio. La formación en cuerda compacta (sectorial) reduce el
diámetro externo del conductor del 8 al 10 por ciento comparado con la
formación normal redonda. Esta reducción en el diámetro del conductor reduce
las cargas de origen climático sobre el mismo (viento o hielo) y también reduce
el peso y volumen de la cubierta aislante, lo que a su vez reduce el peso del
sistema y el costo del cable. Por otra parte, la cubierta aislante se usa para
proteger al sistema contra contactos intermitentes a tierra que pueden causarse
con el toque de ramas de árboles, caída de árboles u otros contactos externos
a tierra.
El uso de una construcción de cable sin blindaje facilita la operación y
conexión al sistema. De forma distinta a los cables con blindaje electrostático,
los cables sin blindaje pueden derivarse para conectar cargas y terminarse en
retenciones sin necesidad de usar accesorios para alivio de gradientes
eléctricos, como los conos deflectores que se usan en empalmes y terminales
de cables blindados. Esto, de hecho, también permite la conexión directa de la
carga a la línea principal con herramientas simples de trabajo con tensión, sin
necesidad de desenergización.
Asimismo, como no existe blindaje sobre estos cables, habrá una
corriente de carga sobre la superficie externa de la cubierta.
La magnitud que aparece sobre la cubierta está directamente relacionada con:
1) El espesor de la cubierta,
2) La constante dieléctrica del material aislante,
3) La tensión del sistema.
63
APUNTES DE COMUNICACIONES
El funcionamiento confiable a largo plazo de un SCAE depende de la
limitación de la magnitud de la corriente de carga disponible en la superficie del
cable, y también de la descarga de esa corriente si se establece un contacto a
tierra sobre la superficie del cable.
La construcción típica de la cobertura utilizada en los Estados Unidos
para estos cables consiste en la combinación de dos materiales aislantes cuyos
espesores relativos dependen de la tensión de operación del sistema.
La capa interna utiliza polietileno natural de alto peso molecular, sin
cargas. Este material provee características eléctricas superiores comparados
con otros polietilenos similares, pero con cargas.
La capa externa consiste en polietileno de alta densidad y de alta
resistencia al "tracking". La resistencia a la abrasión de este material otorga la
protección física necesaria para los roces contra ramas de árbol u otros
contactos mecánicos. La formación de "tracking" o erosión en la superficie del
cable durante los contactos a tierra se controla mediante la resistencia al
"tracking" del material de la capa externa y con la limitación de la corriente de
carga disponible.
Espesores típicos de cobertura de cable
Los sistemas de cable que trabajan a 35 kV y frecuentemente los que
trabajan a 15 kV incorporan una capa semiconductora extruida directamente
sobre el conductor desnudo y firmemente adherida a la capa aisladora interna.
Esta capa semiconductora mejora el comportamiento a impulso y elimina
puntos de alta concentración interna de campo eléctrico, que pueden causar
descargas eléctricas y erosión de la cubierta del cable durante contactos a
tierra.
2.7
INTRODUCCION A LA TELEFONIA
2.7.1 INTRODUCCIÓN A LA TELEFONÍA
La red telefónica tradicional consiste en una red de cableado que une
todos los hogares llevando la señal de voz de un lugar a otro. No soy ningún
experto en el tema, pero me consta que el cable que une mi teléfono fijo con la
centralita más cercana es un par de hilos de cobre. De ahí en adelante hay
toda una infraestructura de comunicación analógica y digital que no viene al
caso.
La red telefónica móvil elimina el cable entre las centralitas y los
terminales (sí, así es como se llaman los teléfonos). Para comunicarse los
teléfonos usan una señal de radio en una banda de 900MHz y 1800MHz. Como
podemos imaginar, la comunicación mediante ondas hertzianas es muy poco
agradecida, tenemos problemas de cobertura, interferencias, autentificación,
roaming, etc.
64
APUNTES DE COMUNICACIONES
Analogía entre RTB y Móvil:
La red de telefonía móvil ha evolucionado en los últimos años, a medida
que avanza la tecnología de telecomunicaciones y la miniaturización y
abaratamiento de los terminales, que ha provocado un boom de ventas.
En concreto se habla de generaciones de telefonía móvil:
•
Primera generación: Analógica
- El funcionamiento de los teléfonos es muy parecido al RTB.
•
Segunda generación: GSM
- Es la tecnología más usada actualmente, tanto en banda de 900MHz
como
en
la
menos
saturada
de
1800MHz
(Amena).
- La red está orientada a conexión, es decir, que cuando se establece una
llamada se ocupa una línea de la centralita durante toda la llamada, aunque
no se envíen datos. En este sentido es como una de teléfono clásica.
- La voz se codifica digitalmente usando el algoritmo GSM, basado en
transformadas de frecuencia y optimizado para el envío de voz. Requiere
muy poco ancho de banda, pero no soporta bien otros sonidos aparte de la
voz.
- Permite envío de datos mediante SMS, MMS, etc. Y conexión a Internet
por WAP equivalente a un módem de 14.4Kb (~ 1.75KB/s). La tarificación
de Internet es por tiempo (€/min).
•
Segunda generación y media: GPRS
- Consiste en aprovechar la infraestructura GSM para implementar una red
conmutada. Esto significa que no es necesario establecer conexión para
acceder a ciertos servicios como Internet. Estos servicios se cobran por
tráfico (€/KB).
•
Tercera generación: UMTS
- Esta red operará (algún día) a alta velocidad permitiendo, aparte de todo lo
conocido, transmitir datos más rápido.
-i-mode: Tecnología importada de Japón con la que Movistar está
ofreciendo servicios de video. A estas alturas ya debíamos estar haciendo lo
mismo pero con tecnología europea como UMTS.
2.7.2 - Introducción a los teléfonos móviles modernos
«Hoy día los teléfonos fijos se parecen a los móviles, y los teléfonos
móviles parecen de juguete».
65
APUNTES DE COMUNICACIONES
Los teléfonos móviles son cada vez más pequeños, más potentes, más
autónomos y más fijos. No sólo se adaptan tecnológicamente a las distintas
generaciones de telefonía, sino que además incluyen nuevas características
como juegos, luces, etc.
Sucede como con los ordenadores, un móvil barato comprado hoy es
superior a un móvil de gama alta comprado hace 5 años.
Un teléfono móvil consta de:
•
Placa y circuitos: Producidos en serie salen muy baratos. Contiene la
ROM, RAM y/o EEPROM con el firmware necesario para que funcione.
•
Pantalla: En colores Blanco/Negro, Escala de grises, 4 Colores
(R,G,B,N), 4096 Colores (16,16,16), etc.
•
Teclado: Está el básico de unas 15 teclas, extendidos para escribir texto
con una tecla para cada letra, externos, etc.
•
Batería: Puede ser NiMH, o las nuevas Li-ion (más capacidad, más
durabilidad, mejor respuesta... pero no dejes la batería sin cargar
durante mucho tiempo).
•
Antena: Antes eran largas y extensibles, y ahora son enanas o internas.
•
Micrófono, Altavoces: Algunos llevan un altavoz separado para el timbre
(Alacatel One touch easy). También incorporan un contrapeso vibrador
para avisar.
•
Carcasa: Suele ser de plástico.
•
Otros accesorios: ¡Cámara de fotos!, conector para kit de manos libres o
auriculares, teclado externo, radio, reproductor de mp3...
Con un teléfono móvil hoy en día se puede:
•
Hablar: Lo mas obvio, por unos 20 cents/min.
•
Enviar SMS/MMS: Mensajes cortos SMS por unos 15 cents hasta 160
caracteres. Los mensajes multimedia MMS (con imágenes y sonido)
cuestan más caro. Claro que hay servicios especiales como chats, y
descargas por SMS de logos, melodías, juegos, que pueden costar más
de 1€ por servicio.
•
Jugar: Bien juegos incorporados en el móvil de serie, o bien descargar
juegos en java J2ME.
•
Trabajar a distancia: Usando el móvil como una agenda electrónica PDA
(Personal Digital Assitant).
•
Acceder a servicios de Internet: Mediante WAP, GPRS o como lo
programe el operador.
•
Estar localizado: El operador sabe cuáles son las antenas más cercanas
a cada móvil y la distancia aproximada a cada una.
•
Ver videos: Con la tecnología i-mode.
66
APUNTES DE COMUNICACIONES
Un teléfono móvil se puede personalizar en distintos aspectos:
•
Carcasas: Modificando el aspecto externo. Reemplazando la carcasa
original por otra (un éxito en el top-manta).
•
Sonidos: Actualmente se puede elegir qué melodia quieres que suene
en tu móvil en función de quién te llame. Aquí ha habido una evolución
pasmosa.
- Los primeros teléfonos emitían pitidos en distintos tonos. Esto podía
emular el sonido de un timbre o una melodía (algo cutre). Estas
melodías
se
podían
personalizar
en
algunos
modelos.
- El siguiente paso en calidad de sonido son las melodías polifónicas.
Esto incluye dos mejoras: suenan instrumentos digitalizados en vez de
pitidos (del conjunto General Midi), y permite que varios instrumentos
suenen a la vez.
- Lo más realista son los sonidos digitalizados en PCM, que permiten
grabar y reproducir sonidos reales.
67
APUNTES DE COMUNICACIONES
BIBLIOGRAFIA
I. Balanis, Constantine A.
ADVANCED ENGINEERING ELECTROMAGNETICS
John Wiley & Sons
2. Ramo. S., Whinnery lR., Van Duzer, T.
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4. Couch. II. L.W.
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6. Peebles. JR., P. Z.
COMMUNICA TION SYSTEM PRINCIPLES
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7. Proakis. J. G. Y Salehi. M.
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9. Sklar; B.
DIGITAL COMMUNICATIONS
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10. Maral. G.
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DIGITAL SA TELLITE COMMUNICATIONS
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12. Collin, Robert E
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68
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1 3. Balanis, Constantine A.
ANTENNA THEORY. ANAL YSIS AND DESIGN
John Wiley & Sons
14. Kraus, J. D.
ANTENNAS
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15. Grab, Bernard
BASIC TELEVISION AND VIDEO SYSTEMS
McGraw-Hili
16. Collin. Robert E
FOUNDATIONS FOR MICROWAVE ENGINEERING
McGraw-Hill
17. Gagliardi, Robert M
OPTICAL COMMUNICATIONS
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18. Bellamy. John C.
DIGITAL TELEPHONY
Cambridge press
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