INTRODUCCIÓN A LAS COMUNICACIONES POR RADIOFRECUENCIA

Transcripción

1 INTRODUCCIÓN A LAS COMUNICACIONES POR RADIOFRECUENCIA Centro CFP/ES CAMPOS EN ELECTRÓNICA COMUNICACIONES SISTEMAS ELECTRÓNICOS DE AYUDA A LA NAVEGACIÓN INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA: DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS PROGRAMABLES Microprocesadores, Microcontroladores ELECTRÓNICA ANALÓGICA analógica ELECTRÓNICA DIGITAL digital V t Tensiones de alimentación ± 12 V, +5 V, +3.3 V ELECTRÓNICA DE POTENCIA Manipular la energía eléctrica V SISTEMAS ELECTRÓNICOS PARA ILUMINACIÓN Lámparas, balastos t Temas específicos SISTEMAS DE ALIMENTACIÓN ELECTRÓNICOS COMPONENTES ELECTRÓNICOS Formación básica Análisis de circuitos electrónicos ACCIONAMIENTOS DE MOTORES ELÉCTRICOS Tracción eléctrica MICROELECTRÓNICA Base formativa Circuitos Integrados Fabricación y diseño CI 1

2 CONCEPTOS BÁSICOS La comunicación es un concepto amplio que engloba a cualquier sistema de transferencia de información entre dos puntos. En nuestro caso la información está contenida en alguno de los parámetros (amplitud, frecuencia, desfase) de una señal eléctrica (tensión o corriente). Medios habituales de comunicación son: Cables eléctricos (par trenzado, cable coaxial, etc) Ondas electromagnéticas (Radio, enlaces de microondas) Señales ópticas (Infrarrojos) Transmisión de la información a distancia Transmisor Medio físico Receptor TRANSMISIÓN RADIOELÉCTRICA Antena Transmisor Receptor Línea de transmisión Línea de transmisión Antena 2

3 TRANSMISIÓN SIMPLEX Antena Transmisor Receptor Antena Ejemplo: Mando a distancia de garaje TRANSMISIÓN SEMIDUPLEX Antena Antena Transmisor Transmisor Receptor Receptor Conmutador Conmutador Antena Antena Transmisor Transmisor Receptor Receptor Conmutador Conmutador 3

4 TRANSMISIÓN SEMIDUPLEX Antena Antena Transmisor Receptor Transmisor Receptor Conmutador Conmutador Ejemplo: radioteléfono TRANSMISIÓN DUPLEX Transmisor f 1 + Filtro Transmisor f 2 + Filtro Receptor f 2 + Filtro Receptor f 1 + Filtro Antena Antena Ejemplo: teléfono inalámbrico 4

5 TRANSMISIÓN DUPLEX Opciones para enviar y recibir de forma simultanea: Multiplexación en frecuencia (FDD). Cada mensaje va en un canal (banda de frecuencias) Multiplexación en el tiempo (TDD). Solo se utiliza una frecuencia y se reparten el tiempo de transmisión ONDA ELECTROMAGNÉTICA En el entorno de un conductor por el que circula una corriente aparecen dos campos de fuerza perpendiculares entre si: Uno eléctrico y otro magnético. El conjunto se denomina campo electromagnético que se propaga a la velocidad de la luz (c = m/s) en dirección perpendicular a los dos campos. H I I + - Campo magnético E E Campo eléctrico H Sentido de propagación 5

6 PARÁMETROS ONDA ELECTROMAGNÉTICA T x t = C. T T = 1/f C =. f = longitud de onda T = periodo f = frecuencia c = velocidad ( m7s) La longitud de onda ( ) es la distancia entre dos frentes de onda. POLARIZACIÓN ONDA ELECTROMAGNÉTICA - E E Dirección de propagación H H Dirección de propagación ANTENA VERTICAL ANTENA HORIZONTAL 6

7 POLARIZACIÓN ONDA ELECTROMAGNÉTICA Se componen de dos campos (E, H) perpendiculares entre si y que a su vez son perpendiculares a la dirección de propagación Velocidad de propagación C=λ Frec (C=3 108 m/s) ESPECTRO ONDA ELECTROMAGNÉTICA Medios Aplicaciones Ultravioleta visible Hz Rayos láser Experimental 10-6 m Infrarrojo Ondas milimétricas Hz Fibra óptica radio en microondas Experimental Navegación Satélite a satélite Repetidor de microondas Tierra a satélite Radar 1 cm 10 cm 1 m Frecuencias super altas (SHF) Frecuencias ultra altas (UHF) Frecuencias muy altas (VHF) Frecuencias Altas (HF) Frecuencias Medias (MF) Frecuencias Bajas (LF) 100 GHz 10 GHz 1 GHz Guías de onda Cable coaxial Radio en onda corta radio en onda larga UHF TV Moviles, aeronáutica VHF TV y FM Radio Móvil Negocios Radio aficionados internacional Banda Civil Radiodifusión AM Aeronáutica Cable submarino Navegación Radio transoceánica 10 m Frecuencias muy bajas (VLF) 100 MHz Par de alambres Teléfono Telégrafo Audio 10 MHz 100 m 10 MHz 1 Km 100 KHz 10 Km 10 KHz 100 Km 1 KHz 7

8 ESPECTRO ONDA ELECTROMAGNÉTICA Espectro electromagnético Todos los cuerpos emiten radiación y el tipo de radiación que emiten depende de la energía que posee cada cuerpo: el sol emite con una energía diferente a la que pueda emitir una lámpara, aunque sean de la misma naturaleza. La luz es una onda electromagnética así como las ondas de radio. Todas las diferentes ondas se encuentran agrupadas en un espectro que contiene todo el rango de radiación desde la luz visible a la no visible como: infrarrojos, ultravioletas, o rayos tan energético y peligrosos como los rayo gamma, los rayos X o las microondas. En sistemas de comunicación, navegación o emisión de televisión se trabaja con frecuencias comprendidas entre 300 MHz y 3000 Mhz, que expresado en longitud de onda es de 1 m a 0,1 m. LONGITUD DE ONDA El término longitud de onda se utiliza cuando se habla de ondas que se transmiten por el aire, como por ejemplo las ondas de radio o televisión y que tienen una frecuencia muy elevada. Resulta más fácil entonces definirlas por su longitud que es la distancia (expresada generalmente en metros) que recorre un ciclo completo de la onda en el espacio. Por ejemplo: una longitud de onda de 1 metro significa que la onda recorre en el espacio un metro de una cresta a otra, lo cual da una idea de su velocidad o frecuencia. Cuanto mayor es la frecuencia, menor será la longitud de onda. 8

9 ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO Radar Microondas Infrarrojo Rayos Cósmicos DC K 2M 4M 22M 156M 162M 1G 10G 100G Visible UV Voz Audio 10 3 Radio Hectométricas BLU Socorro = 2182 KHz Decamétricas BLU FM (VHF) RADAR MARINO Banda X: GHz f Banda S: GHz db C15 C16 C MHz M M M f 25 KHz Canal 16 (Socorro) f 25 KHz ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO 9

10 ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO: NOMENCLATURA ANTENAS Una antena es un dispositivo capaz de emitir o recibir ondas de radio. Está constituida por un conjunto de conductores diseñados para radiar (transmitir) un campo electromagnético cuando se le aplica una fuerza electromotriz alterna. De manera inversa, en recepción, si una antena se coloca en un campo electromagnético, genera como respuesta a éste una fuerza electromotriz alterna. El tamaño de las antenas está relacionado con la longitud de onda de la señal de radiofrecuencia transmitida o recibida, debiendo ser, en general, un múltiplo o submúltiplo exacto de esta longitud de onda. Por eso, a medida que se van utilizando frecuencias mayores, las antenas disminuyen su tamaño. Asimismo, dependiendo de su forma y orientación, pueden captar diferentes frecuencias, así como niveles de intensidad. Su longitud es un múltiplo entero de la semi-longitud de onda. l n 2 n = 1,2,3, l n en metros f ( MHz) Como c f y c = m/s A mayor frecuencia menor es el tamaño de la antena 10

11 ANTENAS La corriente eléctrica en un conductor abierto origina una radiación de energía electromagnética al espacio. R C I R I C Antena Vertical Antena Horizontal ANTENAS Antena isotrópica: Radia con igual intensidad en todas la direcciones (Concepto ideal) Antena directiva: Radia con mas intensidad en determinadas direcciones Antena Omnidireccional: Es una aproximación al concepto de antena isotrópica. La proyección acimutal de su diagrama de radiación es una circunferencia. Diagrama de radiación de una antena vertical Proyección cenital Proyección acimutal 11

12 ANTENAS Antena omnidireccional Antena bidireccional Antena Unidireccional Lóbulo secundario Lóbulo principal Angulo de abertura d la antena Diagrama de radiación de una antena real PROPAGACIÓN ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS Altura del emisor Altura del receptor ht dt dr hr d d dt dr 2 ht R 2 hr R R = radio terrestre (6.400 Km) d ( ht hr ) 12

13 PROPAGACIÓN ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS PROPAGACIÓN ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS 13

14 PROPAGACIÓN ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS PROPAGACIÓN ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS 14

15 TRAYECTORIA ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS TRAYECTORIA ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS 15

16 TRAYECTORIA ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS SISTEMAS DE COMUNICACIONES: SIN PORTADORA 16

17 SISTEMAS DE COMUNICACIONES: MODULACIÓN SISTEMAS DE COMUNICACIONES: MODULACIÓN 17

18 SISTEMAS DE COMUNICACIONES: MÉTODOS BÁSICOS MODULACIÓN SISTEMAS DE COMUNICACIONES: MÉTODOS BÁSICOS MODULACIÓN 18

19 SISTEMAS DE COMUNICACIONES: MODULACIÓN AM SISTEMAS DE COMUNICACIONES: MODULACIÓN AM 19

20 SISTEMAS DE COMUNICACIONES: MODULACIÓN FM SISTEMAS DE COMUNICACIONES: MODULACIÓN FM 20

21 SISTEMAS DE COMUNICACIONES: MODULACIÓN FM SISTEMAS DE COMUNICACIONES: MODULACIÓN DE FASE PM 21

22 SISTEMAS DE COMUNICACIONES: MODULACIÓN DIGITAL: ASK SISTEMAS DE COMUNICACIONES: MODULACIÓN DIGITAL: FSK 22

23 SISTEMAS DE COMUNICACIONES: MODULACIÓN DIGITAL: PSK SISTEMAS DE COMUNICACIONES: RESUMEN MODULACIÓN DIGITAL 23

24 COMUNICACIÓN DE RADIO: VOZ HUMANA COMUNICACIÓN DE RADIO: BANDAS DE FRECUENCIA 24

25 COMUNICACIÓN DE RADIO: BANDAS DE FRECUENCIA COMUNICACIÓN DE RADIO: BANDAS DE FRECUENCIA 25

26 COMUNICACIÓN DE RADIO: DENOMINACIÓN DE EMISIONES MODULACIÓN POR IMPULSOS 26

27 MODULACIÓN POR IMPULSOS MODULACIÓN POR ANCHO DE PULSO (PWM) 27

28 MODULACIÓN POR POSICIÓN DE PULSO (PPM) MODULACIÓN POR PULSOS CODIFICADOS(PCM) 28

29 PRÁCTICA 1: COMPROBACIÓN MÓDULOS RF El Objetivo de esta práctica es comprobar el funcionamiento de los módulos de RF WIZ-SML-IA. Características: 1. Son transceptores para la transferencia de datos punto a punto en el modo half-duplex, vía radio frecuencia (RF). 2. Es necesario disponer de un interface RS Alimentación 5V 4. Transceptor de 100Kbps y uc que administra protocolo 5. Antena construida sobre el propio circuito impreso 6. 2 leds de señalización (alimentación y transferencia de datos). PRÁCTICA 1: COMPROBACIÓN MÓDULOS RF A continuación se expone el conector del módulo WIZ-SML-IA. También dispone de unos switch de configuración 29

30 PRÁCTICA 1: Funcionamiento del Módulo RF A continuación se expone el conector del módulo WIZ-SML-IA. La comunicación serie RS232 entre el módulo y el PC (o similar) se realiza con 1 bit de inicio, 8 bits de datos, 1 bit de stop y sin paridad. Los datos no pueden exceder los 96 bytes El tiempo T de transmisión por RF entre un paquete y el siguiente se calcula según la siguiente fórmula: T=3.6mS + [(Nº de bytes+2) * 0.156] Ejemplo 1: tamaño de la cadena 1 byte Tiempo de transmisión T=4.1mS; (T=3.6+[(1+2)*0.156]) Ejemplo 2: tamaño de la cadena 32 bytes Tiempo de transmisión T=8.9mS; (T=3.6+[(32+2)*0.156]) PRÁCTICA 1: Software de funcionamiento Módulo RF Para su gestión y control se puede emplear cualquier software de comunicaciones como puede ser el Hiperterminal que se incluye en Windows. A pesar de ello el fabricante dispone de un software libre que lo podéis bajar desde el siguiente link: NTdkZjYwNDliZDhj/edit?hl=es Una vez instalado el software deberemos seguir los siguientes pasos: 1. Montar el siguiente circuito utilizando la placa Trainer PIC: 30

31 PRÁCTICA 1: Software de funcionamiento Módulo RF 2. Montar otro igual para conectar al segundo ordenador 3. Conectar el puerto serie a cada una de las placas. PRÁCTICA 1: Software de funcionamiento Módulo RF 4. Ejecutar el programa en cada ordenador y configurarlo para 9600 baudios 5.- Escribir texto en el modo chat. También se pueden enviar ficheros de texto 31

32 La práctica en cuestión deberá hacer lo siguiente: PRÁCTICA 2: Aplicación control de cargas mediante Módulos RF Imaginemos que, desde un terminal, se desea comandar el movimiento de una estructura móvil, según la siguiente tabla: TECLA MOVIMIENTO Q Adelante A Atras O Izquierda P Derecha B Parada de emergencia La pulsación de cualquiera de ellas hace bascular el estado de las salidas RB3-RB0 que controlan los elementos motrices de la siguiente forma: SALIDA MOVIENTO RB0 Adelante RB1 Atras RB2 Izquierda RB3 Derecha Finalmente, el PIC devuelve al terminal el tipo de movimiento que está realizando. El Montaje en placas sería el siguiente: 1.- Montaje desde ordenador: PRÁCTICA 2: Aplicación control de cargas mediante Módulos RF Utilizar Hyperterminal y designar puerto COM1 a 9600 baudios, N, 8, 1. 32

33 PRÁCTICA 2: Aplicación control de cargas mediante Módulos RF 2.- Montaje de la placa microcontrolador tal y como se refleja en la figura 3.- Enviar desde PC comandos y ver mensaje enviado por PIC Vcc GND RX TX PIC Conexiones módulo RF INTRODUCCIÓN A LAS COMUNICACIONES POR RADIOFRECUENCIA 33