TEMA 6 SERVICIOS DE RADIODIFUSIÓN EN PROYECTOS DE ICT PARTE I: FUNDAMENTOS TEÓRICOS

Transcripción

1 ETSI Telecomunicación Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones e Ingeniería Telemática Sistemas de Telecomunicación IV TEMA 6 SERVICIOS DE RADIODIFUSIÓN EN PROYECTOS DE ICT PARTE I: FUNDAMENTOS TEÓRICOS Pablo Casaseca de la Higuera

2 Contenidos 6.1 Introducción 6.2 Instalaciones de antena colectiva en proyectos de ICT 6.3 Servicios de radiodifusión terrestres y vía satélite 6.4 Cálculo de redes de antena colectiva. Herramientas 2

3 Introducción Un poco de historia Antenas individuales vs. Colectivas Las telecomunicaciones en la edificación Previsión de nuevos servicios RD 279/99 RD 401/2003 RD 346/2011 Necesidad de un proyecto de telecomunicaciones firmado por un ingeniero de telecomunicación o un ingeniero técnico de la especialidad adecuada Proyectos de Infraestructuras Comunes de Telecomunicaciones (ICT) Incluye los componentes habituales de un proyecto de ingeniería: memoria, planos, pliego de condiciones, mediciones y presupuesto 3

5 Antena colectiva en ICTs Elementos captadores de señal: Antenas directivas para TV terrenal y DAB Antenas omnidireccionales para radio FM Parábolas para emisiones por satélite 5

6 Antena colectiva en ICTs Equipamiento de cabecera: Reciben las señales de los elementos captadores dotándolas de la estructura y nivel adecuado para su distribución con la calidad adecuada 6

7 Antena colectiva en ICTs Red de reparto: Dispositivos que distribuyen las señales desde el equipo de cabecera hasta las tomas de usuario. Red de distribución: típicamente formada por dos coaxiales y derivadores. En edificios lleva la señal hasta cada una de las plantas. Red de dispersión: Distribuye la señal por las diferentes plantas o zonas. Enlaza los derivadores con los PAUs. Red interior de usuario: Enlaza el PAU con las tomas de usuario. Distribuye la señal por la vivienda. PAU: Limita responsabilidades. Tomas de usuario: Conexión de equipos 7

8 Antena colectiva en ICTs Red de distribución Red de dispersión PAU Red interior de usuario y tomas 8

9 Antena colectiva en ICTs 9

14 Servicios de radiodifusión en ICTs Servicios que deben ser accesibles a los usuarios directamente o mediante pequeñas modificaciones: Radiodifusión sonora analógica, monofónica o estereofónica Radiodifusión de TV analógica Apagón analógico Radiodifusión sonora digital terrenal Radiodifusión de TV-SAT analógico Desaparece en RD 346/2011 Radiodifusión de TV digital. Vía satélite TDT Por cable 14

15 Servicios de radiodifusión en ICTs Radio FM Modulación en frecuencia de una portadora situada entre 87.5 MHz y 108 MHz Excursión máxima de 75 khz Moduladora de 15 khz (mono) o 50 khz (estéreo) Canales separados 300 khz Ancho de banda de Tx: entre 180 y 250 khz 15

16 Servicios de radiodifusión en ICTs TV AM Señal PAL transmitida en las bandas IV/V de UHF (de 470 a 830 MHz) No se emite tras apagón analógico 16

17 Servicios de radiodifusión en ICTs TV AM Se establecen canales de 8 MHz (utilizados ahora para TDT) en la banda UHF y de 7 MHz en VHF (desaparecidos) 17

18 Servicios de radiodifusión en ICTs Radio digital Fruto del proyecto DAB (Digital Audio Broadcasting) que responde a un estándar mundial. Canales de audio digital multiplexados en trama DAB. Codificación para corregir errores y blanquear el espectro Trama de transporte DAB. Modulación COFDM de numerosas portadoras (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing) en DQPSK En España se han reservado las bandas desde 195 a 223 MHz y de 1452 a 1492 MHz, con una canalización del orden de 1.7 MHz 18

19 Servicios de radiodifusión en ICTs TVSAT analógica Se reservan dos bandas al servicio de TV vía satélite (analógico y digital): DBS: de 11.7 a 12.5 GHz. FSS: de 10.7 a 11.7 GHz (baja) y de 12.5 a GHz (alta). El servicio de TV-SAT analógico utilizaba modulación FM, con canales entre 18 y 36 MHz (27 MHz típico) Permite trabajar con C/N mucho más bajas que AM. Tendencia a la sustitución de canales analógicos por digitales (optimización del espectro) FM-TV no incluida en RD 346/

20 Servicios de radiodifusión en ICTs Origen en el proyecto europeo DVB (Digital Video Broadcasting). Uso de codificación MPEG-2/MPEG 4.10 Distintos estándares para diferentes medios de transmisión DVB-S: Satélite (RD346/2011 contempla DVB-S2) DVB-C: Cable DVB-T: Televisión Digital Terrestre TV digital 20

22 Requisitos para el funcionamiento correcto de una instalación ICT: Señal a la entrada de los receptores dentro del rango dinámico de los mismos. Idealmente en el punto medio Recordamos que se suele trabajar en dbµv y que todos los dispositivos trabajan con una impedancia a las puertas de 75 Ω 22

23 Requisitos (continuación) Distorsión mínima en toda la red y siempre dentro de unos límites Lineal: no depende de la amplitud filtros, atenuadores... No lineal: depende del nivel de entrada elementos activos Relación señal a ruido siempre por encima de unos límites Otros factores de degradación (ruido de fase en osciladores, mezclas espúreas,...) han de ser controlados El control depende del tipo de señal. Salvo el cuarto factor, todos los demás se controlan mediante un proceso de cálculo y la elección de los equipos adecuados 23

24 Norma ICT: Herramientas de cálculo Distorsión lineal El ingeniero proyectista sólo puede controlar el 2º factor, que por otra parte está muy desequilibrado 24

25 6.4.1 Distorsión lineal (ejemplo) 25

26 6.4.1 Distorsión lineal (ejemplo) Mezclador Derivadores PAU Coaxial Toma Distribuidores 26

27 6.4.1 Distorsión lineal (ejemplo) Atenuación debida a elementos de distribución: Atenuaciones debidas a los 33 m de cable en extremos de las bandas: 5 db 4 db Rizado en banda V/U debido a los elementos de distribución (caso peor, no se compensan): 27

28 6.4.1 Distorsión lineal (ejemplo) Rizado en banda FI debido a los elementos de distribución (caso peor, no se compensan): Rizado total: Descompensados Atenuaciones totales: 28

29 6.4.2 Distorsión no lineal Dificultad de análisis, depende de la red y del tipo de señal: caracterización introduciendo señales del tipo a las que se va a manejar y midiendo nuevas componentes espectrales En ICT hay señales de diversa naturaleza prueba de dos tonos Introducción de dos tonos y medida del nivel de los mismos (S) y de las interferencias (I) que caen en la banda de trabajo Se puede demostrar, que para un nivel de salida dado, se puede obtener la relación S/I para cualquier otro 29

30 6.4.2 Distorsión no lineal Distorsión no lineal en ICTs producida por elementos activos en cabecera y en amplificación intermedia Los fabricantes proporcionan un nivel de señal máximo de salida para los que la S/I está por encima de un valor específico Este valor coincide aproximadamente con el de la prueba de dos tonos Los valores especificados típicamente son para: S/I=56 db para TV analógica en banda V/U S/I=35 db para TDT en banda V/U S/I=35 db para FM-TV en banda FI 30

31 6.4.2 Distorsión no lineal Procedimiento de cálculo: Admitir que las especificaciones de los fabricantes son para los valores S/I presentados Una vez decidido el nivel de salida de los mismos, calcular la S/I para ese nivel Dispositivos que trabajan con 1 sólo canal: Dispositivos que trabajan con N canales: 31

32 6.4.2 Distorsión no lineal Procedimiento de cálculo (continuación): Comprobar que la S/I resultante está por encima de la especificación ICT Si tenemos dos cuadripolos en cascada U.N. DE POTENCIA!!!!! 32

33 Casos: Distorsión no lineal 33

34 6.4.2 Distorsión no lineal (ejemplo 1) 34

35 6.4.2 Distorsión no lineal (ejemplo 1) Caso anterior pero incluyendo el distribuidor de reparto a los dos cables de bajada. Amplificadores con niveles de salida máximos: 120 dbµv los monocanales de la banda V/U. 118 dbµv el de banda ancha en FI Supongamos que queremos tener 60 dbµv en la peor toma y a la frecuencia más alta en cada banda. Ajuste de amplificadores: 35

36 6.4.2 Distorsión no lineal (ejemplo 1) El cálculo de la S/I en banda V/U ( MHz): Cumpliendo de sobra para AM-TV (54 db) En banda FI ( MHz), asumiendo 30 portadoras diferentes: Que cumpliría para QPSK (18 db) pero no hubiera cumplido para FM-TV (27 db) según RD 401/2003 De hecho, para QPSK se tendría S/I= 28.8 db (S maxqpsk2 =S maxfm2 +4 db) 36

37 6.4.2 Distorsión no lineal (ejemplo 2) Supongamos que a la salida de la toma se instala un amplificador para 10 canales en banda V/U Cálculo de la S/I para diferentes ganancias (10, 20, 30, 40, 50, 60 db) si el nivel máximo de salida es de 120 dbµv Nivel de salida máximo por canal del intermedio: Unidades naturales: 37

38 6.4.2 Distorsión no lineal (ejemplo 2) Señal máxima a la salida del conjunto para G=30 db: Señal a la salida del amplificador y relación S/I: 38

39 Para el resto: Herramientas de cálculo Distorsión no lineal (ejemplo 2) Si la ganancia es alta, el comportamiento no lineal lo define el intermedio, pues trabaja con niveles de salida más altos que los monocanales de cabecera 39

40 6.4.3 Ruido (Figura de ruido y Tª) Figura de ruido de un cuadripolo: 40

41 6.4.3 Ruido (Figura de ruido y Tª) Asumiendo temperatura ambiente T o =290K, la podemos expresar como: K=1.38x10-23 J/K Temperatura equivalente de ruido T e : temperatura a la que debería estar la resistencia de la puerta de entrada Z o para que, a la salida de la red, considerándola desprovista de ruido, se obtenga una potencia de ruido igual a la generada realmente en el interior 41

42 6.4.3 Ruido (Fórmula de Friis) La figura de ruido de varios cuadripolos en cascada viene dada por: Unidades naturales!!! El factor de ruido de toda la cadena depende del de la primera etapa si G 1 >>1 42

43 6.4.3 Ruido (Fórmula de Friis) Dado que la figura de ruido de un cuadripolo pasivo es F=L, se presentan dos casos particulares cuando tenemos dos cuadripolos, y uno de ellos es un atenuador: Si el primero es un atenuador: Si el atenuador es el segundo: 43

44 6.4.3 Ruido (Relación Señal a Ruido) La calidad del sistema depende de la relación señal/ruido a la salida del demodulador del receptor, parámetro relacionado con la relación portadora/ruido a la entrada del sistema C/N Procedimiento para calcularla: Cálculo de la temperatura de ruido equivalente de la antena T a : temperatura de ruido de origen externo T o : 290K F t : figura total de ruido (receptor más cable) 44

45 6.4.3 Ruido (Relación Señal a Ruido) Procedimiento para calcularla (continuación): Cálculo de la potencia de ruido referida a la entrada K: constante de Boltzmann. B: ancho de banda de la señal Cálculo de la relación señal a ruido 45

46 6.4.3 Ruido (Aplicación ICT) Relaciones portadora a ruido mínimas exigidas por el reglamento: El diseñador debe garantizar con sus cálculos las relaciones C/N para las más exigentes: AM-TV en banda V/U y 8PSK en banda satélite (antes FM-TV) Después debe asegurarse que los niveles de otras señales son suficientes para garantizar sus respectivas C/N. 46

47 Banda V/U: Herramientas de cálculo Ruido (Aplicación ICT) En este caso se considera T a =T o T eant =T o F t 47

48 6.4.3 Ruido (Aplicación ICT) La potencia de ruido referida a la entrada: B es el ancho de banda de la señal AM (5MHz), y K la constante de Boltzmann Para TDT, el valor de B a considerar es de 8 MHz 48

49 6.4.3 Ruido (Aplicación ICT) Banda FI: 49

50 6.4.3 Ruido (Aplicación ICT) Procedimiento de cálculo: Obtener la ganancia necesaria de antena para una C/N dada a partir de la ecuación del enlace descendente C/N en db. PIRE: Potencia Isotrópica Radiada Equivalente (operador). λ: longitud de onda (0.024 m). D: Distancia al satélite, unos km. K: constante de Boltzmann, 1.38*10-23 W/(HzK). T eant : Temperatura equivalente de ruido de la antena B: Ancho de banda del canal (36 MHz en QPSK) 50

51 6.4.3 Ruido (Aplicación ICT) Procedimiento de cálculo (continuación): Asumir que el valor dado de C/N es el de la especificación más 1.5 db para compensar degradaciones, más 2 db de margen =17.5 db. Comprobar que la degradación (respecto a la figura de ruido del conversor) que produce el resto de la red es inferior al margen escogido. 51

52 6.4.3 Ruido (Ejemplos) L<1dB 52

53 6.4.3 Ruido (Ejemplo 1, banda V/U) L=1 db, F 1 =L+Fa=10 db, G= =37.3 db, L =47.3 db 53

54 6.4.3 Ruido (Ejemplo 2, banda FI) G=39.41 db, seleccionamos una antena entre 80 y 90 cm de diámetro, cuya ganancia es de 39 db. Con la salida del amplificador a dbµv y el nivel de señal a la salida de la antena: Obtenemos la ganancia del amplificador de FI (el cable entre conversor y amplificador atenúa 1 db): G FI = =36.3 db 54

55 Finalmente: Herramientas de cálculo Ruido (Ejemplo 2, banda FI) 55

56 6.4.3 Ruido (Ejemplo 2, banda FI) Degradación de la C/N debida a dos factores: Elección de una antena cuya ganancia es 0.41 db inferior a la de diseño. No considerar la red a partir del LNB para la elección. Esta degradación es de 0.01 db, con lo que esta consideración de diseño es perfectamente válida : 56