Instrumentación y administración remota de transmisores de FM

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1 Instrumentación y administración remota transmisores FM L.M. Martínez, B. van r Mersch, M. González Laboratorio Telecomunicaciones, Departamento Ingenierías, Universidad Iberoamericana, Ciudad México, 01210, México luism.martinez@uia.mx, Bernard.vanrmersch@uia.mx RESUMEN La operación transmisores utilizados en estaciones radiodifusoras en la banda comercial frecuencia modulada (88 a 108 MHz) se ha realizado a través personal dicado. Mediante este mecanismo se realiza el control los parámetros la estación forma tal que la emisión electromagnética cumpla con los requerimientos contenidos en las normas oficiales mexicanas. Son evintes las ventajas técnicas que se puen obtener mediante la automatización l proceso medición y control la planta transmisora. Por primera vez se reporta la instrumentación un transmisor FM en México mediante técnicas previamente utilizadas en otras industrias tales como la automatización y control procesos. La utilización l sistema ha permitido lograr un nivel confiabilidad la señal cercano al 99.5% a un costo relativamente bajo. ABSTRACT The operation of FM broadcast transmitters in Mexico still relies on technical staff. Full time personnel are required for controlling and monitoring the relevant electromagnetic radiation factors established by the Mexican standards. It is evint that the advantages of the application of process measurement and control techniques can benefit the broadcasting process. This paper reports for the first time the instrumentation of a broadcast FM transmitter in Mexico using other automation and control techniques found at several industrial processes. The system has enabled XHUIA-FM to broadcast with a reliability better than 99.5%. 1. INTRODUCCION De acuerdo con la Secretaría Comunicaciones y Transportes [1], en México existen 1395 estaciones radiodifusoras en México. En el valle México, se ubica el 4.3% estas estaciones. Actualmente, en la banda FM (Frecuencia modulada) en el Distrito Feral se ubican 28 estaciones. La mayoría estas estaciones cuentan con plantas transmisoras que se ubican a una distancia consirable los estudios ( típicamente mayor a 2 Km.). Por diferentes causas, la industria radiofónica en México no ha aprovechado los beneficios la tecnología existente para la automatización procesos como el monitoreo y control a distancia. Por lo anterior, es común observar que la mayoría las plantas transmisoras cuentan con operadores que no permiten asegurar una calidad en la transmisión. Por el contrario, permiten cumplir con los requerimientos normativos [2]. En 2001, se autorizó el aumento potencia XHUIA-FM, por lo que se requirió construir nuevas instalaciones. Durante el sarrollo l proyecto ingeniería coordinado por el Laboratorio Telecomunicaciones l Departamento Ingenierías la Universidad Iberoamericana, se consiro que se bería automatizar la planta transmisora. 1

2 1.1 BREVE SEMBLANZA DE XHUIA-FM XHUIA-FM es la estación radiodifusora la Universidad Iberoamericana en la Ciudad México. Transmite con 3000 W potencia en la frecuencia 90.9 MHz con cobertura l Valle México. XHUIA-FM nació en las antiguas instalaciones la Universidad Iberoamericana en Churubusco a principios los años setenta. Inicialmente, transmitió en un circuito cerrado. A finales 1970 comenzó sus transmisiones experimentales con un equipo bajo costo, con una potencia menor a 1 W [3]. No fue sino hasta 1991, cuando se obtuvo la primera autorización la Secretaría Comunicaciones y Transportes para transmitir con una potencia 20W [3]. En 1994, se autorizó el aumento potencia aparente radiada a 100W y en 2003 se autorizó una incremento a 3000 W. La cual correspon al máximo su clase (A). Actualmente, spués una consirable inversión en infraestructura, XHUIA-FM transmite 24 horas al día, los 365 días l año. El proyecto crecimiento realizado en 2002, finió el carácter educativo XHUIA-FM centrándolo como un laboratorio radiofónico formal, don los alumnos los programas en Comunicación y en Ingeniería puedan practicar sus conocimientos teóricos [4]. Técnicamente, XHUIA-FM ha marcado diferentes hitos en la radiodifusión mexicana incluyendo la implementación una transmisión en FM con ancho banda limitado capaz transmitir a una potencia que aumente su cobertura sin aumentar la interferencia en los canales adyacentes. 1.2 ESTRUCTURA DE UNA PLANTA TRANSMISORA DE FM Los subsistemas básicos una planta transmisora FM se muestran en la figura 1. La señal audio (música o voz) con componentes en frecuencia 20 Hz a 20 KHz, es procesada. El proceso más simple es la amplificación. Esta información es transmitida a la planta transmisora don es alimentada a un excitador, el cual se encarga modular la portadora FM y realizar una primera amplificación. Entonces, la señal modulada se alimenta a un amplificador potencia. Antes llegar a la antena mediante una línea transmisión, la señal transmisión es filtrada para asegurar que la emisión cumpla con lo establecido en la normatividad aplicable. Estudio Fuente Fuente (Voz, (Voz, Audio) Audio) Amp. Audio Enlace Enlace Estudio Estudio Excitador Excitador Antena Antena Línea Línea Transmisión Transmisión Filtro Filtro Espurías Espurías Amp. Potencia Equipo Equipo Medición Medición Figura 1. Estructura una estación radiodifusora. Se muestran el flujo la señal audio. 2

3 Este artículo presenta los resultados la primera etapa la automatización la planta transmisora XHUIA-FM, utilizando elementos comúnmente utilizados en otras industrias. Esto incluye, sistemas telemetría, instrumentación virtual y controladores lógico programables. El artículo comienza con una revisión los talles normativos aplicables a este tipo transmisores. A continuación, se scriben las instalaciones XHUIA-FM y el sistema implementado. Después monitorear el transmisor durante un período un año y medio, es posible concluir que esta automatización ha beneficiado a la operación la estación radiodifusora la Universidad Iberoamericana, mejorando la confiabilidad la transmisión y eliminando la necesidad un operador tiempo completo monitoreando el equipo. 1.3 REQUERIMIENTOS NORMATIVOS SOBRE LAS ESTACIONES RADIODIFUSORAS EN FM La radiodifusión en México está regulada por la Secretaría Comunicaciones y Transportes (SCT). En la Norma Oficial Mexicana NOM-O2-SCT-93, se establecen las especificaciones técnicas que ben cumplir todas las estaciones radiodifusión que utilizan el sistema modulación frecuencia (FM) en la banda 88 a 108 MHz. La mayoría los componentes involucrados en la transmisión señales se encuentran regulados. Los equipos transmisores y radiadores ben cumplir con las disposiciones particulares que permiten que la estación radiodifusora cumpla con los parámetros autorizados por la SCT. Para garantizar el cumplimiento estos requerimientos técnicos, la norma en referencia requiere la disponibilidad las mediciones los parámetros mostrados en la tabla 1. De esta forma, la SCT asegura que se preste un servicio óptima calidad. Es requisito normativo que cada año se realicen pruebas comportamiento. Tabla 1 Parámetro Elemento Voltaje Amplificador Final Corriente Eléctrica Amplificador Final Frecuencia Portadora Frecuencia Piloto Índice Modulación Potencia efectiva radiada Muestra RF Muestra RF Muestra RF Muestra RF Tabla 1. Parámetros principales medición requeridos [5]. 3

4 2. DISEÑO DEL SISTEMA DE AUTOMATIZACION Y MONITOREO Para garantizar una operación continua y con calidad, adicionalmente a los parámetros mostrados en la tabla 1, se requieren monitorear los parámetros mostrados en la tabla 2. De esta forma, es posible monitorear el estado l transmisor, la integridad l mismo y la calidad la señal. Un número sarrollos previos hacen evintes las ventajas la automatización transmisores TV y radio [6,7]. Sin embargo, se ha discutido constantemente si la reducción personal pue ser consirado un beneficio. Adler et Al. [8] concluyen que en la industria farmacéutica es posible reducir hasta un 75% el personal, mediante la automatización. Particularmente, si es factible la implementación un monitoreo total los parámetros los equipos y las instalaciones será factible la puesta en marcha un sistema control. Este pue ser automático o asistido por humano. En el proyecto XHUIA-FM se optó por la última opción, ya que para implementar un esquema totalmente automático se estima que se berá contar con sistemas inteligencia artificial que puedan tomar cisiones complejas. Tabla 3 Parámetro Potencia Directa Potencia Reflejada Voltaje l Amplificador Final Corriente en el Amplificador Final Voltaje APC Encendido / Apagado Potencia Alta Potencia Baja Fallas (6) Temperatura Ambiente % Modulación Tabla 2. Parámetros monitoreo requeridos. La planta transmisora XHUIA-FM cuenta con los equipos mostrados en la figura 2. Algunos estos equipos cuentan con interfaces diseñadas para la medición. Es común encontrar que la mayoría los equipos cuentan con algunas señales disponibles en señales estandarizadas i.e V, 4 20 ma. En la primera etapa l proyecto, el sistema automatización se enfoca al 4

5 monitoreo los parámetros l transmisor y su control. El diseño este sistema, busca implementar la arquitectura mostrada en la figura 3, para implementar las funciones mostradas en la tabla 4. Figura 2. Equipamiento la Planta a XHUIA-FM Telmex Internet Conmutador Red UIA Estudios FOLD FOLA CCL Excitador Procesador Telemetría Auxiliar Subestación 4 Planta Emergencia Figura 3. Arquitectura general la administración remota l transmisor XHUIA-FM. 5

6 Tabla 4 Funciones Requeridas Medición los Parámetros l (5) Monitoreo Fallas (6) Control Potencia Encendido / Apagado Fallas (6) Medición Temperatura Ambiente Medición % Modulación Tabla 3. Funciones control y monitoreo requeridas. 3. RESULTADOS La implementación l diseño mostrado en la sección anterior, se centra en establecer una arquitectura monitoreo capaz proveer funciones control. Se consiró que por criterios redundancia era recomendable contar con acceso telefónico y por TCP/IP. La siguiente figura muestra los principales módulos l sistema implementado. El acceso telefónico se logra mediante un equipo telemetría diseñado para instalaciones radiodifusión (ARC 16 Burk Technology). El ARC 16 es un sistema control flexible transmisores que permite el monitoreo y control a distancia. Este equipo pue ser configurado para tener funciones dial-up (acceso telefónico datos) para tener acceso hasta 16 canales estado, medición y control. El equipo cuenta con una interfaz voz ESI (interfaz mejorada voz) que permite un control vía telefónica a través señales DTMF y el monitoreo (en voz) los parámetros l transmisor. La interacción remota con el ARC-16 se logra mediante una computadora equipada con MODEM. Una computadora (PC) sirve punto acceso a las facilidas l sistema ARC 16, mediante un enlace serial (EIA RS232C). A su vez la computadora cuenta con un acceso a la red la Universidad Iberoamericana y utilizando una herramienta acceso remoto es posible accer al software comunicación con el ARC-16 (AutoPilot y Autoload, Burk Technology). Esta implementación permite la redundancia necesaria para asegurar una comunicación constante con el transmisor. Sin embargo, spués la etapa pruebas se observó que el equipo telemetría tiene algunas ficiencias tales como velocidad comunicación (menor a 9600 BPS) que ocasionan 6

7 tiempos respuesta lentos. Igualmente, carece una capacidad para almacenar datos. Por esto se pensó en la posibilidad sarrollar un sistema capaz realizar estas funciones que operara en paralelo con el sistema telemetría. La solución sarrollada se muestra en la figura 4. El sistema X1 se sarrolló utilizando software instrumentación virtual (LabView, National Instruments). Las señales provenientes l transmisor se conectan a través una tarjeta adquisición datos (NI PCI-6023E, National Instruments). En la primera etapa l proyecto se cuenta con el monitoreo y almacenamiento los datos disponibles en el transmisor y en el monitor modulación. Las posibilidas existentes en LabView permiten la publicación los datos en Internet. La aplicación principal almacena los datos monitoreo en un archivo local y forma remota mediante una conexión a una base datos diseñada para este propósito. Interfaz Usuario + Instrumento Virtual Internet Base Datos DAQ NI-PCI-6023 Potencia Directa Potencia Reflejada Voltaje l Amplificador Final Corriente en el Amplificador Final Voltaje APC Encendido / Apagado Potencia Alta Potencia Baja Fallas (6) Temperatura Ambiente % Modulación PSTN Voz Datos Telemetría ARC16 Sensor Monitor Modulación Figura 4. Arquitectura medición y control l transmisor XHUIA-FM (Etapa I). 4. CONCLUSIONES El sistema implementado ha permitido eliminar la práctica, comúnmente encontrada en otras estaciones don se cuenta con un operador tiempo completo que monitorea el estado éste. Las posibilidas que ofrecen los sistemas telemetría permite accer al transmisor para su control o monitoreo. Por primera vez una aplicación instrumentación virtual es sarrollada y probada para el monitoreo y control remoto un transmisor FM en México. Esta aplicación permite el acceso a la información l transmisor requerida para asegurar niveles calidad y el cumplimiento la normatividad mexicana. Su operación es inpendiente los requisitos instrumentación fijados por la misma normatividad y un sistema telemetría que permite el acceso a dicha información mediante una conexión telefónica, ya sea por un canal voz o datos. 7

8 Aún cuando se cuenta con un sistema que permite la operación sin necesidad un operador, aún se requiere un cierto nivel supervisión. Es evinte, que aún cuando el sistema telemetría cuenta con la capacidad generar alarmas que se transmitan por vía telefónica, un operador berá interpretar la severidad la alarma. 5. REFERENCIAS 1. Secretaría Comunicaciones y Transportes, Información Estadística, Disponible en (2001). 2. Norma Oficial Mexicana, NOM-O2-SCT-93, Especificaciones y requerimientos para la instalación y operación estaciones radiodifusión sonora en la banda 88 a 108 MHz; con portadora principal modulada en frecuencia,(2000). 3. N. Goldner y M. Sánchez, Radio Experimental Universitaria. Caso Práctico: XHUIB Radio Ibero 90.9 MHz FM., Tesis, (Universidad Iberoamericana), (1992). 4. Ibero 90.9 Radio, Proyecto Institucional, (Universidad Iberoamericana), (2001). 5. NOM-O2-SCT-93, im. 6. K. Delnef, Broadcast transmitter automation, Fernseh- und Kino-Technik, 56, 5, (2002), p G. Roe, P. Parker, An automated master control system with digital audio, International Broadcast Engineer, 21, 238, (1990), p 11-12, D. Adler et Al., Life cycle cost and benefits of process automation in bulk pharmaceuticals, ISA Transactions 34 (1995) T. Adamson, Electronic Communications, (Ed. Delmar), 173, (1992). 10. F.J. Net, Teoría Básica Radiación y Propagación Electromagnética, (Ed. Noriega), (1989). 8