1.- Señales de RF...3

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1 Tabla de Contenidos 1.- Señales de RF Conceptos básicos de ondas electromagnéticas El espectro radioeléctrico Concepto de DB y DBm Ancho de banda de una señal Osciladores Otros dispositivos de procesamiento de señales Concepto de ruido y relación señal a ruido Sistema de Comunicación Diagrama de bloque de un sistema de comunicación Esquema básico del transmisor Esquema básico del Receptor Transceptor de RF Ancho de banda del canal de comunicación Concepto de ancho de banda y velocidad de información Información Analógica y Digital Señal v/s Información Señal analógica Señal Digital Modulación Analógica y Digital Modulación Modulación de Amplitud (AM) Modulación en frecuencia FM Comparación AM - FM Ventajas de FM Modulación Digital ASK Amplitude Shift - Keying FSK- Frecuency Shift - Keying PSK- Phase- Shift- Keying Modulación M-P.S.K Q.A.M Tasa de Transmisión ( Bit-Rate ) Tasa de Error ( BER ) Sistemas de Comunicación inalámbricos Frecuencias y espectros utilizados en Chile Servicios de comunicaciones móviles Telefonía Celular...38 ANDESCAP Ltda.. Paseo Huérfanos Nº 713 Of

2 5.4.- Reutilización de frecuencias Elementos básicos de un sistema de comunicaciones móviles Asignación de frecuencias Protocolos de acceso inalámbrico Resumen de las Principales Normas y Sistemas Requerimientos de los organismos de estandarización internacional Ambientes de aplicación de las comunicaciones móviles DECT - Digital European Cordless Telephone Propagación de señales de RF Principios de Huygens y Fresnel Refracción troposférica Pruebas de visibilidad Calidad de un enlace de RF La atenuación de espacio libre Especificación de equipos y antenas Fundamentos sobre antenas Ganancia de una antena de reflector parabólico Mantenimiento preventivo y correctivo...75 ANDESCAP Ltda.. Paseo Huérfanos Nº 713 Of

3 1.- Señales de RF Conceptos básicos de ondas electromagnéticas. Todos conocemos que nuestras radios sintonizan distintas "bandas de frecuencias" que generalmente denominamos: Onda Media, Onda Corta, FM (VHF), etc. Estas "bandas" son divisiones del "espectro radioeléctrico" que por convención se han hecho para distribuir los distintos servicios de telecomunicaciones. Cada una de estas gamas de frecuencias poseen características particulares que permiten diferentes posibilidades de transmisión y recepción. Antes de empezar con las características de cada Banda de Frecuencias; conviene aclarar que se denomina Espectro Radioeléctrico a la porción del Espectro Electromagnético ocupado por las ondas de radio, o sea las que se usan para telecomunicaciones. El Espectro Electromagnético esta compuesto por las ondas de radio, las infrarrojas, la luz visible, la luz ultravioleta, los rayos X y los rayos gamas: todas estas son formas de energía similares, pero se diferencian en la FRECUENCIA y la LONGITUD de su onda (como se indica en la figura). λ = c/f T = 1/f ANDESCAP Ltda.. Paseo Huérfanos Nº 713 Of

4 λ = Longitud de Onda en metros: corresponde a la distancia que recorre una onda para completar un ciclo de la vibración. Se expresa por la letra griega Lambda y se mide en metros. f = Frecuencia de la señal en Hertz. /(ciclos por segundo). Es el número de períodos o ciclos que desarrolla la señal en una unidad de tiempo. Normalmente la unidad de tiempo que se considera es el segundo. Por lo tanto, la frecuencia sería igual al número de ciclos que la vibración desarrolla en un segundo. c = Velocidad de la luz ( Km/seg. 3x10 8 m/seg ). T = Período ( segundos ) Período : Es el tiempo que demora un ciclo completo de una vibración u oscilación. Unidades de medición: 1 ciclo / seg. 1 HERTZ = 1 Hz ciclos / seg. 1 KILOHERTZ = 1 KHz ciclos / seg. 1 MEGAHERTZ = 1 MHz ciclos / seg. 1 GIGAHERTZ = 1 GHz ciclos / seg. 1 TERAHERTZ = 1 THz Amplitud : Corresponde al desplazamiento máximo en uno u otro sentido de la la señal. Se relaciona con la potencia de la señal la que habitualmente se mide en Dbm ó DbW. Onda electromagnética : Vibración electromagnética que no requiere de un medio físico cableado para propagarse, lo puede hacer en el vacío, por el aire y no son captadas por el oído. Ancho de banda : Intervalo de frecuencias entre las cuales está la información. Energía de la onda : A medida que una onda se propaga por un medio o en el espacio y dependiendo de la distancia recorrida, ésta sufre una atenuación en su energía. El alcance de una onda es la distancia que puede recorrer antes que su energía se extinga. ANDESCAP Ltda.. Paseo Huérfanos Nº 713 Of

5 En el caso de las ondas electromagnéticas, la amplitud de la vibración es proporcional a la potencia del transmisor, por lo que a mayor potencia mayor energía será aplicada y por lo tanto mayor alcance tendrá la onda. Si la onda tiene mayor frecuencia, también tiene una mayor energía y alcance, por esto que con ondas de muy alta frecuencia, microondas por ejemplo, se puede obtener una gran energía con mediana potencia del transmisor. Cuando se empezaron a utilizar con fines comerciales las ondas hercianas, hace más de cien años, se vió enseguida que la tecnología disponible ofrecía mayores alcances y contactos más seguros cuanto más larga era la onda. Usar ondas largas y muy largas tenía (y sigue teniendo), sin embargo, algunos inconvenientes: las antenas deben ser mayores, se deben utilizar mayores potencias y el ruido atmosférico es una importante fuente de disturbios. Pero, según los conocimientos de la época, las ondas decimétricas (UHF), centimétricas (SHF) o de longitud inferior eran «poco prácticas» debido a que se propagaban en línea recta y no bordeaban obstáculos, con lo que su alcance práctico era la línea visible, el horizonte y poco más. Algunos científicos (Marconi entre ellos) afirmaban que esas ondas extracortas (métricas - VHF) y ultracortas (decimétricas -UHF- e inferiores), entonces despreciadas, nos reservarían algunas sorpresas. Hoy en día son muchísimos más los circuitos de radio que hacen uso de esa parte del espectro que todos los que se han establecido en los últimos cien años de la radio en ondas largas, medias y cortas. Todas las comunicaciones a través de satélites hacen uso de ondas extracortas y ultracortas. La clasificación de esas ondas más «cortas» que las de la popular «onda corta» (HF) atendiendo a su longitud acabó pronto los calificativos; tras nombrar como «ultra» a las ondas decimétricas se acabaron los apelativos y hubo que buscar otra clasificación. Ese intento de encontrar calificativos acordes con el estado de la técnica - siempre en constante adelanto- coincidió, a mediados de la década de los años treinta, con un cambio sustancial en el sujeto a clasificar: en vez de considerar la longitud de onda se pasó a distinguirlas por su frecuencia. Eso dio algo más de juego aunque, como veremos enseguida, también se eligió un sendero ciego. La gama de ondas métricas (1 a 10 m) se denominó VHF (Muy Alta Frecuencia); las ondas decimétricas (10 a 100 cm) se bautizaron como UHF (Frecuencia Ultra Alta); a continuación vinieron las centimétricas o de SHF (Frecuencia Super Alta) y, por último, (o eso creían quienes adoptaron esa escala) las de ANDESCAP Ltda.. Paseo Huérfanos Nº 713 Of

6 EHF o Frecuencia Extra Alta, en la gama de los milímetros de longitud de onda. Y aquí volvió a encontrarse cerrado el camino; no se encontraron más calificativos aceptables para gamas ulteriores. Así que luego hubo que renombrar a ciertos segmentos especiales mediante letras (Banda K, Banda L, etc.) lo cual da mucho más juego El espectro radioeléctrico DISTRIBUCIÓN CONVENCIONAL DEL ESPECTRO RADIOELECTRICO SIGLA DENOMINACIÓN LONGITUD DE ONDA VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF EHF VERY LOW FRECUENCIES Frecuencias muy bajas LOW FRECUENCIES Frecuencias bajas MEDIUM FRECUENCIES Frecuencias medias HIGH FRECUENCIES Frecuencias altas VERY HIGH FRECUENCIES Frecuencias muy altas ULTRA HIGH FRECUENCIES Frecuencias ultra altas SUPER HIGH FRECUENCIES Frecuencias superaltas EXTRA HIGH FRECUENCIES Frecuencias extra-altas EXTRA HIGH FRECUENCIES Frecuencias extra-altas m a m m. a m m. a 100 m. 100 m. a l0 m. 10 m. a 1 m. 1 m. a 10 cm. 10 cm. a 1 cm. 1 cm. a 1 mm. 1 mm. a 0,1 mm. GAMA DE FRECUENC. CARACTERISTICAS USO TIPICO 10 KHz a 30 KHz 30 KHz a 300 KHz 300 KHz a 3 MHz 3 MHz a 30 MHz 30 MHz a 300 MHz de 300 MHz a 3 GHz Propagación por onda de tierra, atenuación débil. Caracteristicas estables. Similar a la anterior, pero de características menos estables. Similar a la precedente pero con una absorción elevada durante el día. Propagación prevalentemente Ionosférica durante le noche. Propagación prevalentemente Ionosférica con fuertes variaciones estaciónales y en las diferentes horas del día y de la noche. Prevalentemente propagación directa, esporádicamente propagación Ionosférica o Troposferica. Exclusivamente propagación directa, posibilidad de enlaces por reflexión o a través de satélites artificiales. ENLACES DE RADIO A GRAN DISTANCIA Enlaces de radio a gran distancia, ayuda a la navegación aérea y marítima. RADIODIFUSIÓN COMUNICACIONES DE TODO TIPO A MEDIA Y LARGA DISTANCIA Enlaces de radio a corta distancia, TELEVISIÓN, FRECUENCIA MODULADA Enlaces de radio, Radar, Ayuda a la navegación aérea, TELEVISIÓN de 3 GHz a 30 GHz COMO LA PRECEDENTE Radar, Enlaces de radio 30 GHz a 300 GHz 300 GHz a GHz COMO LA PRECEDENTE COMO LA PRECEDENTE COMO LA PRECEDENTE COMO LA PRECEDENTE ANDESCAP Ltda.. Paseo Huérfanos Nº 713 Of

7 1.3.- Concepto de DB y DBm. En telecomunicaciones, la medida de potencia de las señales, independientemente de la frecuencia, se realiza en decibeles. El decibel más que una unidad de potencia es la relación o cuociente de dos potencias en escala logarítmica. Su definición es la siguiente: DB = 10 Log (P1/P2) De la ecuación se deduce que: Si las potencias son iguales (P1 = P2), el resultado es cero DB Si P1 es 10 veces P2, el resultado es 10 DB. Si P1 es 100 veces P2, el resultado es 20 DB Es evidente que el incremento en potencias de 10 de P1 sobre P2 arroja como resultado un incremento en décadas de la relación en DB. Con frecuencia se utiliza la unidad DBm para expresar las potencias de transmisión ó recepción en equipos de comunicaciones. La definición es la siguiente: dbm = 10 Log (P /1 mw) En esta ecuación P2 = 1mW, por lo tanto la medida de potencia está referida a ese valor. Así por Ejemplo si P = 1 Watt, el cuociente P/1mW = 3. Luego P expresada en DBm será P= 30 DBm Ancho de banda de una señal Independientemente de la potencia, una señal puede estar compuesta por múltiples frecuencias de señales senoidales. ANDESCAP Ltda.. Paseo Huérfanos Nº 713 Of

8 Señales senoidales Sabemos que una señal, de cualquier forma de onda, contiene información. Esta información está contenida en cualquiera de los parámetros de la señal, por ello no debe confundirse a la señal con la información que contiene. Lo que ocurre es que a menudo, la información es transportada por una señal senoidal pura, la que recibe el nombre de portadora. Se dice que es una señal senoidal cuando su representación es del tipo z(t) = a(t) sen wt. En esta expresión a(t) es la amplitud de la señal; sen representa la función trigonométrica del seno; t es el tiempo; y w es la frecuencia angular de la señal Un pulso como la suma de senoides Una señal de pulsos rectangulares, pulsos triangulares así como muchas otras señales del tipo periódicas, pueden ser expresadas como la suma de ondas o señales senoidales (la explicación de este hecho la hizo el matemático J. Fourier en 1822). Para entender mejor este fenómeno, consideremos la música generada por órganos o sintetizadores electrónicos: las tonalidades que generan son la suma de distintas combinaciones de tonos puros. En ingeniería de comunicaciones una señal senoidal (de una sola frecuencia) es lo que en acústica sería un tono puro. De esto podemos concluir que el ancho de banda de una señal queda determinado por su componente de mas alta frecuencia. En consecuencia su transmisión necesitará de un medio capaz de transportar toda la banda de frecuencia de la cual se compone la señal. Distorsión por anchos de bandas diferentes Un ejemplo sencillo de la distorsión de anchos por bandas diferentes es el intentar la transmisión de música a través de un teléfono; ya que al transmitir música de alta fidelidad por este canal, el sonido musical cambia, debido a que ANDESCAP Ltda.. Paseo Huérfanos Nº 713 Of

9 tiene componentes en frecuencias cercanos a 20 kilohertz (ancho de la banda), mientras que el teléfono sólo puede transmitir tonos de hasta hertz (ancho de la banda). A este efecto se le conoce como distorsión Osciladores La definición de oscilar es fluctuar entre dos estados o condiciones, por consiguiente oscilar es vibrar o cambiar. Un oscilador es un dispositivo capaz de producir vibraciones u oscilaciones, generando en su salida una forma de onda repetitiva. Hay muchas aplicaciones de los osciladores en las comunicaciones electrónicas, como son las fuentes de portadora de frecuencia intermedia, de alta frecuencia, fuentes piloto, relojes y circuitos de sincronización Otros dispositivos de procesamiento de señales Amplificación de una señal Un amplificador es un sistema que tiene a su salida una réplica de la señal de entrada, cuya amplitud fue aumentada por el sistema. Filtrado Por medio de un filtro se eliminan ciertas componentes de frecuencia de una señal. Existen diversos tipos de filtros que, dependiendo de la porción del espectro que eliminen, puede ser paso-bajas (eliminan las frecuencias altas), paso-altas (eliminan las frecuencias bajas), paso-banda (sólo dejan pasar frecuencias dentro de una banda) o supresor de banda (eliminan los componentes dentro de una banda). Muestreador La entrada es una señal continua en el tiempo, y su salida una señal discreta en el tiempo, donde cada muestra tiene una amplitud igual o proporcional a la de la señal original en el tiempo de muestreo. Cuantizadores La entrada a un cuantizador es cualquier señal continua, y la salida es una versión cuantizada de la misma; si la entrada es continua en el tiempo y en amplitud, la salida es continua en el tiempo, pero discreta en amplitud. ANDESCAP Ltda.. Paseo Huérfanos Nº 713 Of

10 Suma de señales Este sistema tiene dos o más señales de entrada, y su salida es la suma de dichas entradas. Multiplicador de señales Se conoce como modulador de amplitud, pues si una de las señales (de baja frecuencia) multiplica a otra de alta frecuencia (portadora) la salida del sistema genera un espectro igual al de la señal moduladora, pero trasladado a la frecuencia de la portadora. Al igual que el sistema de suma de señales tiene dos o más entradas y su salida es el producto de ellas. El ejemplo más común de este sistema es la Amplitud Modulada (A.M.), en la cual se "sobrepone" el contenido de la información de la señal moduladora sobre otra señal (portadora). Digitalización de señales Realiza el procesamiento necesario para convertir una señal analógica en digital. Consiste en la conexión en serie de un filtro, un muestreador, un cuantizador y un codificador Concepto de ruido y relación señal a ruido. El ruido es una perturbación inherente a todo sistema de comunicaciones. Su origen está principalmente en que la agitación térmica presente en todos los materiales, para el caso de los conductores, se traduce en corrientes aleatorias que se mueven por los circuitos y canales de comunicación. Como toda señal, la señal de ruido tambien puede ser modelada como la suma de infinitas señales de frecuencia distinta, cubriendo toda la gama de frecuencias utilizadas en las comunicaciones inalámbricas. Si en un determinado punto del canal de comunicaciones definimos como S (Signal) la potencia de la señal y como N (Noise) la potencia de ruido, entonces la relación S/N se conoce como Relación Signal to Noise ó relación señal a ruido. Este parámetro es un factor de mérito del canal de comunicaciones por cuanto mientras mas alta es la S/N, mas limpio se encontrará el canal y con ello habrá mayor capacidad para el transporte de la información. ANDESCAP Ltda.. Paseo Huérfanos Nº 713 Of

11 2.- Sistema de Comunicación Diagrama de bloque de un sistema de comunicación FUENTE DE INFORMACIÓN TRANSMISOR CODIFICADOR - CANAL RECEPTOR DECODIFICADOR - DESTINO Mensaje Señal transmitida Señal recibida Mensaje FUENTE DE RUIDO La información codificada fluye a través del medio de transmisión denominado también canal de transmisión Esquema básico del transmisor Antena Interfaz CODIFICADOR MODULADOR RF El transmisor ó codificador está constituido por 3 etapas. ANDESCAP Ltda.. Paseo Huérfanos Nº 713 Of

12 La primera es un codificador de la información cuya función es dar un formato adecuado a la información, de manera que permita en la recepción, funciones tales como la detección de errores. El código de la información también debe permitir y facilitar la función de la etapa siguiente. La segunda etapa es la de modulación. En ella se adecúa la información codificada para ser transmitida por el canal de comunicación. Dependiendo del medio de transmisión y su ancho de banda se emplean distintas técnicas de modulación, tanto analógicas como digitales, las que se revisan mas adelante. En la etapa de RF se amplifica la señal que será irradiada por la antena Esquema básico del Receptor Antena Interfaz DECODIFICADOR DEMODULADOR RF El receptor decodificador está constituido por 3 etapas. La señal captada por la antena se inyecta a un amplificador de RF para luego ser demodulada en la etapa siguiente. Finalmente el decodificador recupera el formato original de la información, de manera que permita ser recibida en la interfaz Transceptor de RF Los modelos vistos previamente para el transmisor y receptor representan una separación de funciones cuya aplicación práctica sólo la podemos encontrar en sistemas del tipo broadcasting ó unidireccionales ( SIMPLEX ). Sin embargo la mayoría de las aplicaciones, en particular las que revisaremos en este manual, son del tipo bidireccionales ( duplex ). Esto significa que la información fluye en ambos sentidos, aunque no necesariamente ambos procesos son simultáneos ( Full Duplex ). La implementación práctica de las funciones de transmisión y ANDESCAP Ltda.. Paseo Huérfanos Nº 713 Of

13 recepción en un mismo equipo recibe el nombre de transceptor de comunicaciones el que se muestra en la figura siguiente: Antena Interfaz CODIF. DECOD. MOD. DEMOD. RF RF D U P L E X Ancho de banda del canal de comunicación CANAL DE COMUNICACIONES: ANDESCAP Ltda.. Paseo Huérfanos Nº 713 Of

14 Es como un tubo; la señal que entra en un extremo se entregara en el otro extremo del sistema para completar la comunicación, ya sea voz, imágenes o datos y vídeo. Existen diversas técnicas que permiten un óptimo aprovechamiento del canal de comunicaciones, tales como la modulación de la información ó la amplificación de la potencia de la señal portadora. El diámetro de este tubo imaginario debe ser lo suficiente amplios para permitir el paso de los diferentes tipos de señales, esto quiere decir que los diámetros de los canales dependen del ancho de banda ocupado por la señal Concepto de ancho de banda y velocidad de información La información en su forma de señal eléctrica es una onda compleja que contiene múltiples componentes de frecuencia. Los valores de frecuencia de cualquier señal real estarán comprendidos dentro de un rango determinado, acotado por una frecuencia mínima (FL) y una frecuencia máxima (FH). Así entonces el ancho de banda de la señal queda definido por la diferencia entre FH y FL. BW = FH FL C. Shanon estableció que la capacidad del canal de comunicación está directamente relacionada con el ancho de banda de la señal y con el ruido del canal de comunicación. CAPACIDAD [bits/seg.] = 1/3 BW (S/N). ANCHO DE BANDA es la diferencia entre la frecuencia máxima y la mínima contenidas en una señal. ANDESCAP Ltda.. Paseo Huérfanos Nº 713 Of

15 3.- Información Analógica y Digital Señal v/s Información Una Señal es la manifestación física de una onda; mecánica, eléctrica, electromagnética ó luminosa que transporta información, a través de un medio de transmisión o de los nodos de una red, éstas señales pueden ser Señales Analógicas ó Digitales. En consecuencia, la información es el contenido de la señal, este contenido proviene de una fuente o transductor que transfirió los cambios de la variable de información en una señal variante en el tiempo. Por ello el concepto de información siempre se asocia con cambios. Una señal que no contiene cambios en sus parámetros fundamentales, amplitud ó frecuencia, no contiene información. Finalmente la cantidad de información contenida en una señal es proporcional a la incertidumbre en los cambios de la señal, vale decir que si no hay cambios, ó si estos son cambios periódicos y repetitivos, la incertidumbre no existe y por lo tanto el comportamiento de la señal es predecible y por consiguiente la información transportada es escasa ó nula Señal analógica La voz, desde que sale de un equipo emisor es una Señal Analógica, lo que significa que está definida para todo intervalo de tiempo, tiene una forma que se puede dibujar y no presenta discontinuidades, lo que indica que es continua. Las señales analógicas se caracterizan por ser una función continua en la variación de su amplitud con respecto al tiempo, para un cierto rango o intervalo. En consecuencia estas señales representan a las señales acústicas (voz humana) ó aquellas generadas por un elemento transductor en su forma eléctrica, permitiendo de esta manera su manipulación en un sistema de Transmisión. ANDESCAP Ltda.. Paseo Huérfanos Nº 713 Of

16 3.3.- Señal Digital Una Señal Digital en cambio, es de otra forma, su forma aunque también se puede dibujar, su contorno está compuesto por pedacitos de líneas rectas, lo que indica que puede tomar sólo uno de dos estados posibles; el estado lógico cero o el estado lógico uno. No obstante puede transportar, la misma información contenida en una Señal Analógica y en una forma más confiable. Es menos factible que en una Señal Digital se pierda o distorsione información por el ruido por ejemplo, que en una Señal Analógica. Veremos mas adelante, que el proceso de digitalización, se realiza de acuerdo a ciertos estándares, no reviste complejidad alguna y se encuentra presente en prácticamente todos los equipos terminales de una red. 4.- Modulación Analógica y Digital Modulación Se dice que z(t) es una señal senoidal cuando su representación es del tipo: z(t) = a(t) sen (wt). En esta expresión a(t) es la amplitud de la señal; sen( wt) representa la función trigonométrica del seno; t es el tiempo; y w es la frecuencia de la señal en radianes por seg. W= 2πf Modulación es el proceso de adaptar la señal de información a las características del canal de comunicaciones. Este proceso se debe realizar utilizando diferentes técnicas, dependiendo de las características de la señal de información y del medio de transmisión. El objetivo principal de la modulación es el de transportar con la mejor calidad posible, señales de información a través de canales afectos a desvanecimientos, multitrayectos y limitados en ancho de banda. ANDESCAP Ltda.. Paseo Huérfanos Nº 713 Of

17 Hablamos de modulación en amplitud (AM) cuando la información está contenida en las variaciones de amplitud de la portadora y de modulación en frecuencia,(fm) cuando la información está contenida en las variaciones de frecuencia de la onda portadora Modulación de Amplitud (AM) Si Ac cos(wct) es la señal portadora y m(t) la señal modulante, la señal de AM puede ser representada por: S AM (t) = A [1 + m(t)]cos(2πf t) c c El índice de modulación k para una señal m(t) = Amcos(2πfmt) viene dado por: k = A / A m c Este índice es usualmente llamado porcentaje de modulación. Un porcentaje de modulación mayor del 100% distorsionará la información transmitida no pudiendo ser demodulada por un detector de envolvente. El espectro de una señal de AM está dado por : 1 SAM (f) = A c[ δ(f fc) + M(f fc) +δ(f + fc) + M(f + f 2 El ancho de banda de la señal de AM es : BAM = 2fm c )] La potencia total en una señal de AM, donde < > representa el valor medio, es 1 2 PAM = A c[1 + 2 m(t) + 2 m 2 (t) ANDESCAP Ltda.. Paseo Huérfanos Nº 713 Of ]

18 A d Banda lateral ( ( Banda lateral f c - f c + f f A d f Banda lateral f c + f Demodulación de Señales AM Las técnicas de recuperación de señales de AM se dividen en 2 grandes categorías : Demodulación Coherente y No-Coherente. La Demodulación Coherente requiere del conocimiento de la frecuencia y fase de portadora en el receptor. La No-Coherente no requiere información de fase. Un tipo de detección coherente de señal AM es El detector de producto o Detector de fase. La detección no coherente se lleva a cabo generalmente con un Detector de envolvente. Detector de envolvente : Un detector de envolvente ideal es un circuito que tiene una salida proporcional a la envolvente real de la señal. Si la entrada es: R(t) Cos(Wct), la salida será : V out (t) = K R(t) Modulación en frecuencia FM Es un tipo de modulación de ángulo. Si usamos una señal modulante sinusoidal: S FM K f Am = Ac cos 2πf ct + sen 2 mt ϖ m [ πf ] Kf: Constante del Sistema ANDESCAP Ltda.. Paseo Huérfanos Nº 713 Of

19 Características de FM La máxima desviación de frecuencia de la señal portadora es: Indice de modulación: β f = fd  W m = f fm Relación entre Âm y el BW de la señal transmitida El ancho de Banda (BT) de una señal FM (Banda Ancha), está definido como el intervalo en frecuencia que contiene el 98 % de la potencia transmitida. T ( ) f f m B = 2 β + 1 (Regla de Carson ) Técnicas de modulación FM - Forma Indirecta m(t) Integrador X S FM banda angosta Σ limitador FM banda Multiplicador ancha de Frec. -90º portadora S FM A cos2πf t Aθ ( t)sen 2πf t c c c c ANDESCAP Ltda.. Paseo Huérfanos Nº 713 Of

20 Técnicas de detección FM Se busca el efecto contrario. Frecuencia instantánea a amplitud instantánea. En receptores prácticos, la señal RF es recibida, amplificada y filtrada en el carrier. Luego convertida a una frecuencia intermedia que contiene el mismo espectro. Los métodos utilizados son: - Zero-crossing detection - Slope Detection - PLL Zero-crossing detection Este es un buen método cuando se necesita linealidad sobre un amplio rango de frecuencias Idea: Utilizar los cruces por cero para generar un tren de pulsos cuyo valor medio sea proporcional a la frecuencia de la señal. Slope Detection Se basa en derivar la señal de entrada y luego filtrar pasa bajo. La señal pasa a través de un limitador de amplitud que remueve las perturbaciones debidas al fading en el canal (Vi) Luego pasa a un filtro con una función de transferencia que incrementa la ganancia linealmente con la frecuencia. Se observa que la Ec., tiene un término variante en el tiempo proporcional a m(t) y otro DC que se filtra con un condensador. PLL Esquema de control en lazo cerrado consistente en un VCO cuya frecuencia de salida varía en función del voltaje de salida demodulador. S FM señal de entrada DETECTOR DE FASE Amplificador y LPF M(t) señal demodulada vco ANDESCAP Ltda.. Paseo Huérfanos Nº 713 Of

21 4.4.- Comparación AM - FM FM v/s AM Relación No lineal Amplitud Constante del Carrier Información en la fase o frecuencia Crecimiento de la calidad sobre cierto umbral. Señal envolvente constante, señal modulante no altera el carrier Potencia no depende de amplitud de la información por lo se pueden utilizar amplificadores de RF no-lineales y de gran eficiencia (70 % en clase C). Relación Lineal Calidad -Potencia Superposición de Amplitud Información en la Amplitud del carrier Mantener linealidad en potencia y amplitud de mensaje implica Amplificadores clase A-B % de eficiencia. Todas las interferencias son recibidas y demoduladas FM vs AM - VENTAJAS Mejor inmunidad al ruido (señales representadas como variaciones de frecuencia) Menos susceptible a Ruido impulsivo, (fluctuaciones rápidas en amplitud) Desvanecimientos de pequeña escala causan fluctuaciones Intercambio de BW por S/N Indice de Modulación, y por lo tanto BW puede variar para mejor S/N. Efecto Captura Ocupa menos BW, pues sistema de transmisión lineal Mejoró susceptibilidad a desvanecimientos usando tonos pilotos que ajustan rápidamente la ganancia para compensar fluctuaciones de amplitud Menor complejidad Se demodula fácilmente AM puede ser detectada coherentemente con un detector de producto. Superará a FM cuando se tenga señales débiles. ANDESCAP Ltda.. Paseo Huérfanos Nº 713 Of

22 4.5.- Ventajas de FM Resumiendo lo importante : Efecto Captura - Si dos señales en la misma banda de frecuencia llegan al receptor, será demodulada la de mayor potencia. La otra será rechazada. Por lo tanto más inmune a la interferencia co-canal. Eficiencia de Potencia - La potencia de una señal FM no depende de amplitud de la información, por lo tanto, se puede utilizar amplificadores de RF nolineales, gran eficiencia (70 % en clase C) Modulación Digital Modulaciones ASK, FSK, PSK y QAM Modulación digital es el conocido proceso de modulación de una onda senoidal con la salvedad que la señal modulante es digital. Es interesante notar que esta modulación puede considerarse como una etapa más en el proceso de adaptación de la fuente de información al canal y por lo tanto como parte del proceso de codificación. Eficiencia Muchos sistemas de comunicaciones requieren antes de la transmisión procesamientos adicionales de la señal digital este proceso, indicado como adaptación involucran primordialmente la traslación de la señal digital a otra región conveniente del espectro por medio de la modulación de una portadora. Este proceso de modulación presenta tadas las posibles ventajas de la modulación analógica: facidad de radiación asignación de frecuencia, multiplexación superación de limitaciones etc. Debe tenerse en cuenta que en la transmisión en banda base el ancho de la banda no es normalmente una limitación muy rígida dado que la respuesta de los enlaces se deteriora, en general, gradualmente y es siempre posible ecualizarlos. ANDESCAP Ltda.. Paseo Huérfanos Nº 713 Of

23 Consecuentemente para lograr una mayor eficiencia en el uso de estos canales se requieren técnicas de señalización multinivel las cuales están asociada en general con el proceso de modulación. Teniendo en cuenta que los canales telefónicos digitales requieren una tasa de transmisión de 64 Kbps resulta claro la necesidad de encontrar métodos convenientes que permitan el aprovechar eficientemente el espectro y entonces competir con los sistemas analógicos. Como luego veremos estos métodos son las técnicas de modulación multisimbólica. Una parámetro muy útil para caracterizar la eficiencia en la utilización de la banda en un sistema de modulación digital es la densidad de información Donde δ = R/B R: tasa de señalización de bits/seg y B: ancho de banda en Hz. Modulación binaria Se ha considerado oportuno comenzar el estudio de los sistemas de modulación digital para el caso binario dejando la modulación multinivel para un apartado posterior. En la modulación digital binaria de una onda continua encontramos las mismas tres variantes que en el caso analógico -amplitud, frecuencia y fase- con la peculiaridad que ahora conmutaremos alguno de estos parámetros entre dos valores posibles. Como luego veremos existen casos particulares y ciertas variaciones de estas tres técnicas básicas ASK Amplitude Shift - Keying ANDESCAP Ltda.. Paseo Huérfanos Nº 713 Of

24 La modulación A.S.K. constituye probablemente la primera técnica de modulación digital que se haya implementado prácticamente dado que ha sido usada extensamente. En esta forma de modulación la amplitud de la portadora se varía entre dos niveles predeterminados en correspondencia con la señal binaria de datos. Usualmente uno de los dos niveles coincide con cero (condición OFF) por lo cual en este caso suele denominarse la modulación ON-OFF. Si denominamos x(t) a la señal de datos, es decir a una secuencia de unos y ceros la señal A.S.K. será: Xc = A. x(t). cos 2 π fc t Donde X (t) = sobre intervalos de T segundos. fc = frecuencia portadora. En la figura se indica el diagrama en block de un modulador ASK. donde la función del filtro es reducir el nivel de los componentes indeseables u conformar la señal de salida. X(t X Filtro A.S.K. Cos 2πfct El sistema A.S.K. pueden analizarse como un sistema de banda base. En particular las consideraciones de función transferencia óptima son directamente aplicables con sólo trasladar dichas funciones en torno de la frecuencia de portadora. ANDESCAP Ltda.. Paseo Huérfanos Nº 713 Of

25 a) Espectro de la señal modulante b) Espectro de la señal modulada CA Amplitud En lo referente a la detección de las señales A.S.K. en la figura. se representa el diagrama en block de un receptor A.S.K. El filtro de recepción es normalmente un filtro adaptado a los pulsos de R.F. el cual en conjunto con el filtro del transmisor determinan la característica total requerida para todo el sistema. La detección puede realizarse en forma coherente (sincrónica) o no coherente, utilizándose normalmente esta última. Evidentemente la detección no coherente es de implementación más sencilla pero, como veremos al considerar los efectos de ruido, provee una menor inmunidad cuando la señal de predetección presenta bajas relaciones señal a ruido. ANDESCAP Ltda.. Paseo Huérfanos Nº 713 Of

26 La salida del detector, una vez filtrada para remover componentes indeseables, es equivalente a una señal recibida en un sistema de banda base por la cual le son aplicables todos los procesamientos, decodificación, muestreo y decisión, aplicados en dichos sistemas FSK- Frecuency Shift - Keying La modulación por desplazamiento de frecuencia, F.S.K., provee una señal de amplitud constante la que permite el uso de dispositivos saturables, lo cual constituye una se sus ventajas respecto a A.S.K. La modulación F.S.K es usada principalmente en radios digitales de banda angosta aunque también ha sido utilizada satisfactoriamente en equipos de radio digitales de banda ancha, principalmente aquéllos que se han modificado a partir de radios analógicos que servían se soporte a sistemas múltiplex F.D.M. Aparte de la ventaja mencionada, cabe apuntar su simplicidad, bajo costo y, como veremos al final del capítulo, un comportamiento más estable que A.S.K. en presencia de desvanecimientos (fading). Con todo su comportamiento no resulta tan eficiente como P.S.K. aunque a diferencia de ésta, permite detección no coherente. Es oportuno puntualizar que básicamente existen dos métodos de modulación digital de frecuencia. El primero es el que clásicamente se designa F.S.K. donde la señal digital x (t) controla una llave que selecciona la frecuencia modulada de un banco de osciladores (dos en el caso binario). La señal modulada presenta entonces discontinuidades en cada instante de conmutación a menos que al amplitud, la frecuencia y la fase de cada oscilador haya sido cuidadosamente ajustada. Evidentemente la dispersión del espectro de la señal modulada dependerá de dichas discontinuidades. ANDESCAP Ltda.. Paseo Huérfanos Nº 713 Of

27 El segundo método de modulación de frecuencia intenta evitar dichas discontinuidades y producir consecuentemente espectros más compactos. Precisamente se denomina C.P.F.S.K. (continuos phase F.S.K) y se basa en la modulación en frecuencia de un único oscilador por medio de la señal digital x(t). Consideraremos sólo el caso de F.S.K. tradicional. La expresión de una señal binaria F.S.K. es : Xc (t) = A cos [2π (f c + x (t). f) t] Donde fc es la frecuencia central (portadora virtual), x (t) es la señal digital de banda base, simétrica NRZ de 2 niveles, y f es denominada desviación de frecuencia. Generalmente f c >1 /T aunque en algunos sistemas, particularmente cuando el vínculo es línea telefónica, son magnitudes del mismo orden. Así por ejemplo resulta común para tasas de señalización de 1200 bits / ser la utilización de modulación FSK. Con portadora virtual de 1700 Hz y desviación de 500 Hz. En general se puede decir que el ancho de banda de F.S.K. es mayor que el de A.S.K. Los casos presentados pueden resumirse en un ancho de banda dado por BT = 2 f + 2B Es precisamente en esta posibilidad de lograr un uso eficiente del espectro mediante un filtro de no muy difícil implementación (premodulación) donde reside la mayor competitividad de F.S.K. El modulador puede ser lineal, de tipo V.C.O. ( voltaje-controlled osillator ) es decir un oscilador cuya frecuencia de salida es función de la tensión de entrada. Existen también moduladores del tipo digital los cuales sintetizan las frecuencias requeridas. ANDESCAP Ltda.. Paseo Huérfanos Nº 713 Of

28 Modulador FSK PSK- Phase- Shift- Keying P.S.K, también denominada modulación discreta de fase es una técnica de modulación digital sumamente eficiente, ampliamente utilizada en sistema tales como enlaces satélites, radioenlaces de banda ancha, etc. En este tipo de modulación la información se codifica en la fase de una portadora de amplitud constantes. Cuando dicha información esta representada por el valor absoluto de la fase, es decir referida a una portadora sin modular se tiene el sistema P.S.K. convencional; si la información está contenida en las variaciones de fase, es decir referida a la fase del estado anterior tenemos los denominados sistemas diferenciales. La ecuación que caracteriza la modulación P.S.K. convencional para el caso binario esta dada por Xc (t) = x (t). Acos 2π fc t Donde x (t) es una señal binaria aleatoria, de período T, NRZ, que toma valores +1 ó 1. ANDESCAP Ltda.. Paseo Huérfanos Nº 713 Of

29 Comparando con ASK puede notarse que la única diferencia entre ASK Y PSK es que en la primera la portadora se conmuta A y 0 mientras que en la segunda entre + A y A. las señales correspondientes a cada estado son S0 (t) = A cos ω ct S1 (t) = A cos ω ct = A cos (ω ct + π) En los que se observa una diferencia de fase de 180º. Es por ello que esta forma de modulación recibe el nombre, exclusivamente para el caso binario, de P.R.K. ( Phase Reserval Keying) aunque nosotros preferimos 2 P.S.K. La densidad espectral de energía puede calcularse transformando la ecuación al dominio de la frecuencia. La señal P.S.K. tiene entonces la misma característica de doble banda lateral que la transmisión ASK. con la importante excepción de un impulso en la frecuencia de portadora. La ausencia de una componente discreta en la portadora significa que P.S.K. posee una mejor eficiencia de potencia que ASK. aunque igual eficiencia espectral. Consecuentemente los requerimientos de ancho de banda de una señal P.S.K. son los mismos que una A.S.K. a pesar que este último proceso de modulación es Como veremos más adelante, al considerar el comportamiento en presencia de ruido, P.S.K. exhibe un mejor desempeño que A.S.K. y que F.S.K. En la figura se representa el espectro de una señal P.S.K. ANDESCAP Ltda.. Paseo Huérfanos Nº 713 Of

30 Espectro PSK Observe la existencia de un lóbulo principal cuyo ancho es el doble de la tasa de señalización (2/T). Nótese además que los lóbulos secundarios decrecen muy lentamente ( ver fog.8.15), lo cual hace necesario filtrar la señal de salida para evitar interferencia en los sistemas adyacentes. Esto reduce la potencia transmitida por lo que normalmente debe incrementarse la potencia del transmisor a efectos de mantener la calidad del sistema. El principal problema en el diseño de este filtro de transmisión es proveer la atenuación deseada sin causar excesiva interferencia intersimbólica (ISI). Normalmente el mínimo ancho de banda aceptable es 2/T lo cual permite el pasaje sin atenuación del lóbulo principal. El filtro pasabanda de salida produce variaciones de amplitud debido a los efectos de conversión FM a AM. Por otro lado los amplificadores en microondas son de tipo saturados por lo cual tienden a recortar las variaciones de amplitud y consecuentemente a restaurar la dispersión del espectro, es decir a cancelar el efecto del filtrado. El modulador 2 P.S.K. básicamente consiste en una llave que, controlada por la señal de datos, conmuta entre la portadora y su versión invertida. En general la modulación puede hacerse en frecuencia intermedia o bien directamente en R.F. La modulación en F.I. puede realizarse con el conocido ANDESCAP Ltda.. Paseo Huérfanos Nº 713 Of

31 modulador balanceado donde según la polaridad que asigne la señal de datos a un puente de diodos tendremos variaciones de 180º en fase de la señal de salida. La modulación directamente en R.F. suele utilizarse cuando se desea diseños más económicos como en el caso de los enlaces de baja capacidad (2Mb/s y 8Mb/s) Modulación M-P.S.K. En el esquema M-PSK la fase de la portadora puede tomar uno de los M valores posibles separados en un ángulo. φ=2π/m Consideremos primeramente en detalle el caso M = 4 conocido como 4-PSK o Q-PSK (donde la Q corresponde a Quaternary). En este caso se combinan los dígitos binarios pudiendo ser 00,01,10,y 11, con lo cual deben existir cuatro ángulos de fase que les correspondan siendo φ = π/2 Debe quedar claro que estos dos pulsos binarios sucesivos se almacenan para luego emitir el símbolo ( la forma de onda) correspondiente. Entonces si la tasa de señalización es r bits/seg. Cada pulso binario tendrá una duración 1/r pero el símbolo producido por el modulador durará 2 /r. La modulación 4 PSK puede realizarse mediante diversos métodos. El primero de ellos se basa en la combinación lineal de dos señales en cuadratura lo cual genera los cuatro estados posibles que se reseñan en la tabla siguiente. Los cuatro estados tienen la misma magnitud pero distinta fase. Dígitos binarios Coeficiente Ax Coeficiente Bx Portadora modulada ,707-0,707-0,707 0,707-0,707-0,707 0,707 0,707 cos (ω ct + π/4) cos (ω ct + 3π/4) cos (ω ct - 3π/4) cos (ω ct - π/4) ANDESCAP Ltda.. Paseo Huérfanos Nº 713 Of

32 Un segundo método de generar 4-PSK se basa en la generación de cuatro fases diferentes de una misma portadora para su posterior selección según los datos de entrada. Una posible variante de este método es utilizar una portadora única, la cual se hace pasar por una red de retardo que varía según la información digital de entrada. Consideramos ahora M = 8 denominado 8-PSK. En este caso las 8 fases diferentes están sepadas en un ángulo φ = π/4. Resulta evidente entonces que cada fase representa un grupo de tres dígitos binarios (Tribits). En la tabla siguiente se india la expresión de la portadora correspondiente a las ocho posibles combinaciones de tres dígitos. Se indica también el valor de las componentes en cuadratura. En la figura se muestra la constelación correspondiente a 8-PSK. Obsérvese que los tribits correspondientes a cada fase siguen el código de Gray a efecto de minimizar la severidad de los posibles errores. 8-PSK- Componentes en cuadratura Dígitos binario a x b x Portadora Modulada ,924 0,383-0,383-0,924-0,924-0,383 0,383 0,924-0,383-0,924-0,924-0,383 0,383 0,924 0,924 0,383 Cos (ωt + π/8) Cos (ωt + 3 π/8) Cos (ωt + 5 π/8) Cos (ωt + 7 π/8) Cos (ωt - 7 π/8) Cos (ωt - 5 π/8) Cos (ωt 3 π/8) Cos (ωt - π/8) ANDESCAP Ltda.. Paseo Huérfanos Nº 713 Of

33 Q.A.M. Hasta ahora en los esquemas PSK todos los puntos de la constelación se encontraban sobre una circunferencia lo cual implicaba constancia en amplitud. Y si bien habíamos visto la conveniencia de suponer dos canales en cuadratura los niveles de las señales modulantes (banda base) en cada canal no eran independientes pues la composición de ambos debía resultar en una señal de amplitud constante. Si ahora abandonamos esta condición y permitimos que las señales de banda base en los dos canales en cuadratura sean totalmente independientes estamos en presencia de un esquema denominado QAM (Quadratura Amplitude Modulation ) o también denominado APK (Amplitud Phase Keying). Dicho esquema consiste entonces en al modulación multinivel de amplitud de dos portadoras en cuadratura en forma independiente. En consecuencia los dos canales en cuadratura son completamente independientes inclusive la codificación de banda base ANDESCAP Ltda.. Paseo Huérfanos Nº 713 Of

34 En la figura se presenta el esquema donde cada canal en cuadratura puede tomar cuatro niveles distintos lo cual resulta en el denominado 16QAM. Obsérvese que ha diferencia de 16 PSK la envuelta de la portadora modulada ya no será constante, lo cual inhibe, en principio, el uso de dispositivos saturables. Por otro lado la distancia entre puntos en un esquema QAM es siempre mayor que un esquema PSK equivalente. Como estas señales presentan estructuras similares a los P.S.K. los espectros de Q.A.M. son similares a los P.S.K de igual orden. Concretamente el espectro de una señal 16 Q.A.M. es similar a un 16 P.S.K etc Tasa de Transmisión ( Bit-Rate ). Equivale al número de símbolos digitales que se transmiten por un canal de comunicación por unidad de tiempo. Los símbolos digitales generados a partir de la información pueden estar constituidos por uno o más bits, así entonces, la tasa de transmisión o tasa de símbolos se distingue de la velocidad de línea, dependiendo de la cantidad de bits por símbolo. Por ejemplo: a) 1 símbolo = 1 bit tasa de símbolos = 1200 simb/seg velocidad de línea = 1200 bps. b) 1 símbolo = 4 bits tasa de símbolos = 1200 simb/seg velocidad de línea = 4800 bps. Codificación digital Los canales de telecomunicaciones soportan una diversidad de servicios de información. El canal de telecomunicaciones especifica su capacidad en [bits/seg] ó en [Kbps.] Muchas tecnologías de acceso se han desarrollado a partir del concepto de codificar la información en un número finito de símbolos. ANDESCAP Ltda.. Paseo Huérfanos Nº 713 Of

35 Esto tiene la ventaja que si se transmiten los símbolos se requiere una velocidad ó tasa menor con lo cual se consigue un mejor aprovechamiento del ancho de banda disponible en el medio de transmisión. Es importante consignar que los símbolos deben tener características eléctricas de amplitud, duración y frecuencia tal que su transmisión y recepción se vea afectada al mínimo por el fenómeno del ruido presente en el medio de transmisión Tasa de Error ( BER ) La confiabilidad de la información se relaciona directamente con la calidad de servicio que ofrecen los canales de comunicación digital. Las 2 principales características que debe ofrecer el canal de comunicación son la disponibilidad y la confiabilidad. La disponibilidad debe asegurar la vía de comunicación en forma permanente y garantizar que el canal de comunicación estará disponible toda vez que se requiera. Para ello se recomienda la utilización de medios de respaldo. (Energía, equipos, medios de transmisión. ) La confiabilidad se relaciona con la calidad de la información recibida en términos de cantidad de bits errados. Se define la tasa de error como la relación entre los bits errados y los bits recibidos. TASA DE ERROR = BITS ERRADOS/ BITS RECIBIDOS. ANDESCAP Ltda.. Paseo Huérfanos Nº 713 Of

36 5.- Sistemas de Comunicación inalámbricos Frecuencias y espectros utilizados en Chile Servicios de comunicaciones móviles Hay muchas clases de sistemas de radiocomunicaciones en dos sentidos, que ofrecen una amplia variedad de servicios, que incluyen los siguientes: 1. Radio móvil de dos sentidos. Comunicaciones semidúplex, de uno con muchos, sin tono de marcar. a. Radio civil (CB) de clase D. Proporciona de a MHz (40 canales compartidos de 10 khz, servicio público y no comercial, para uso personal o comercial. Con DSBFC de AM y SSBFC de AM, de oprimir para hablar. Hay otras tres clasificaciones de Cb menos conocidas: A, B y C. ANDESCAP Ltda.. Paseo Huérfanos Nº 713 Of

37 b. Radio de Aficionados. Cubre una banda ancha de frecuencia, de 1.8 MHz hasta más de 300MHz. Diseñado para uso personal, sin interés pecuniario. La radio de aficionados ofrece un amplio intervalo de clases, que incluyen CW, A;, FM, radio teleimpresora (RTTY), TV de fotofija y barrido lento HF (SSTV, de slow-scan TV),Televisión y facsímil de barrido lento o rápido, de VHF o UHF, y FSK de audio (AFSK): c. Servicio de radio difusión aeronáutica (ABS, de Aeronáutica Broadcasting Service) Proporciona de 2.8 a 457 MHz. El ABS disemina información para navegación aérea y comunicaciones de aire a tierra. Usando la AM convencional y diversas formas de SSB AM en bandas de frecuencia HF, MF y VHF. d. Servicio de radio Móvil Privado en Tierra o Radio de seguridad pública. o Radios especiales de emergencia. o Radio industrial 2 Servicio Telefónico móvil. Comunicaciones radiotelefónicas dúplex, de uno a uno. a. Radio celular analógico. Transmisión en FM usando FDMA o TDMA b. Radio Celular Digital. Sistema de comunicaciones personales (PCS, de personal comunications dsystem). Transmisión PSK de señales de voz codificadas por PCM, usando TDMA, FDMA y CDMA. c. Servicio Satelital de comunicaciones Personales. (PCSS, de personal communications satellite service). Proporciona servicio mundial de telecomunicaciones con teléfonos manuales que se comunican entre sí a través de repetidoras de satélites en órbita terrestre, con modulación QPSK y tanto FDMA. ANDESCAP Ltda.. Paseo Huérfanos Nº 713 Of