LA IONOSFERA, UNA ALTERNATIVA REAL PARA LAS TELECOMUNICACIONES?

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1 LA IONOSFERA, UNA ALTERNATIVA REAL PARA LAS TELECOMUNICACIONES? José Manuel Elena Ortega Joaquín Luque Rodríguez Depto. de Tecnología Electrónica Enero de 1994

2 Cables fulgurantes entre centelleantes rayos y fatales cortocircuitos. Placas madre y circuitos ahijados se preparan a recibir la descarga determinante. Integrados y desintegrados comienzan a ronronear como un elefante sobre la roca de los vientos eléctricos. Y finalmente llegó la hora. Y finalmente llegó el microsegundo. Y finalmente los robots funcionaron entre chirriantes y oxidados gemidos. Tomy

3 1 SUMARIO 1 INTRODUCCIÓN LA IONOSFERA EL FENÓMENO FÍSICO LA PROPAGACIÓN REAL LA CALIDAD DE LA SEÑAL LA ELECCIÓN DE LA FRECUENCIA LA AUTOMATIZACIÓN DEL ENLACE REFERENCIAS... 68

4 2 1 INTRODUCCIÓN. Podría parecer que la utilización de la ionosfera con el fin de establecer comunicaciones radioeléctricas es equiparable al uso de la vela para navegar por el mar, algo deportivo, incluso romántico, pero no realmente útil, ya que la existencia en la actualidad de múltiples satélites de comunicaciones con cientos de canales permanentemente dispuestos para ser utilizados, hace aparecer a las comunicaciones a larga distancia por vía ionosférica como algo periclitado y sin utilidad práctica alguna. Esta fue una opinión generalizada durante la década de los setenta, pues mientras la capacidad y fiabilidad de los satélites de comunicaciones crecía, también se creía que eran inmunes a cualquier intervención extraña que pretendiera alterar sus funciones o ponerlos fuera de servicio. Era por tanto lógico que se les considerara como los elementos ideales para una comunicación fiable, a pesar del serio inconveniente que representaba su alto coste, tanto en el orden económico como en la necesaria dependencia tecnológica respecto a unos pocos países, los únicos capaces de construir y poner en órbita tales ingenios. Todo ello condujo a la pérdida sistemática de los conocimientos depositados en operadores expertos, a la drástica disminución de los fondos empleados en la investigación y el desarrollo de sistemas en este campo y a la creencia generalizada en que las comunicaciones ionosféricas en HF eran

5 algo del pasado y utilizables tan solo cuando no había ninguna otra posibilidad real de establecer el enlace deseado, o bien para fines lúdicos -Servicio de Radioaficionados- [GOO92]. 3 Sin embargo, es en la década de los ochenta cuando se inicia un cambio de actitud en todo este proceso. El elevado costo de la sustitución de todas las comunicaciones que con anterioridad se realizaban en HF por los enlaces vía satélite, unido a los avances tecnológicos en los métodos de interferencia y destrucción de los mismos, -misiles antisatélite, pulsos electromagnéticos de alta intensidad producidos por explosiones nucleares en la alta atmósfera, haces de microondas de alta densidad energética, etc-, da lugar a que se comience a pensar que la evolución de los sistemas de comunicaciones no era totalmente satisfactoria y empiece a considerarse como ni económica ni estratégicamente adecuada, por parte de un número cada vez mayor de países, la dependencia total de todas la comunicaciones de un sistema caro y demostradamente vulnerable. Como consecuencia pues de todo lo anteriormente expuesto, vemos cómo en la actualidad existe un renovado interés por el uso de las comunicaciones por vía ionosférica [MAS90], favorecido por los continuados avances en la tecnología electrónica empleada en la fabricación de equipos de comunicaciones en HF -síntesis digital de frecuencia, filtros activos, control de los equipos mediante ordenador, etc-, unido a la posibilidad de grandes potencias de cálculo ligadas a pequeños sistemas - ordenadores de la línea PC-, con elevadas velocidades de reloj y grandes cantidades de memoria, tanto central de funcionamiento como de almacenamiento, todo ello a precios sorprendentemente bajos.

6 4 Muestra de este interés por las comunicaciones en HF es el intento de crear una nueva generación de equipos de radiocomunicaciones inteligentes, capaces de crear y mantener los enlaces de manera automática, los denominados HF ALE RADIOS -High Fre-cuency Automatic Link Establishment Radios-, para los cuales hay propuestos cinco nuevos estándares federales en los EE.UU. de Norteamérica [ADA92], dentro del FTPS -The Federal Telecommuni-cation Standards Program- para el NCS -National Communications System- [BOD85]. Otro factor favorable a tener en cuenta es el cambio realizado en las condiciones sociopolíticas en el mundo, debidas al cese de la política de confrontación de bloques, que hace que el uso comercial de la radiodifusión en HF predomine sobre el uso político realizado de manera prioritaria hasta entonces, con todo lo que ello significa de aportación de fondos económicos a la investigación en este área. Es conveniente hacer notar también el destacado papel que vuelven a tener las comunicaciones a larga distancia vía HF en los sistemas de comunicaciones militares [WAL92,SAL92], en las comunicaciones diplomáticas y en la coordinación de la ayuda nacional e internacional en caso de desastre a través de los servicios de Protección Civil, Radioaficionados, Cruz Roja y Creciente Rojo. Existen, no obstante, algunos factores negativos en este proceso, tales como la falta de personal con experiencia en general y lo escaso del número de grupos de investigación en este área, entre los cuales es necesario mencionar al Grupo VI del CCIR -Comité Consultivo Internacional de Radio-, perteneciente a la ITU -Unión Internacional de Telecomunicaciones-, que ha logrado mantener vivo el interés por este campo de la investigación en tiempos muy difíciles.

7 5 Es en este sentido de evitar las dificultades generadas por la falta de personal suficientemente formado, utilizando las facilidades tecnológicas actuales en lo que a posibilidades de cálculo automatizado y bajo precio de los equipos necesarios se refiere, en el que desean avanzar los trabajos que a continuación se exponen y a los que estas líneas pretenden servir de introducción.

8 6 2 LA IONOSFERA. La ionosfera es una capa atmosférica alta, dotada de una gran conductividad eléctrica gracias a los electrones liberados en la intensa ionización producida por la radiación solar, básicamente en las porciones ultravioleta y de rayos X de su espectro, y en menor medida por las partículas cargadas generadas por el Sol junto a los rayos cósmicos. Se extiende entre los 50 y 2000 Km de altitud sobre la superficie terrestre, dividiéndose por razones históricas en tres capas o regiones denominadas D, E y F en orden creciente de altura y concentración de electrones, cumpliendo las capas E y F el papel de reflector de las ondas radioeléctricas y siendo la capa D la principal causante de la atenuación sufrida por las mismas entre las frecuencias de 2 y 30 MHz -HF- y la responsable también de la reflexión de las ondas de muy baja frecuencia -VLF- y extra baja frecuencia -ELF-. Al ser su origen la radiación solar fundamentalmente, es lógico esperar, como así sucede, que la intensidad de la ionización dependa de la intensidad de dicha radiación y de la trayectoria o camino que la misma recorra a través de la atmósfera. Esto se traduce en una mayor ionización de las capas

9 atmosféricas más altas y en una relación inversa entre la ionización medida y el ángulo solar cenital 1, con un valor máximo donde éste ángulo sea cero. 7 Asímismo constatamos una relación directa entre las variaciones en la altura, la concentración de electrones y el comportamiento de las distintas capas ionosféricas y los cambios reflejados en la actividad solar durante el día, a través de las distintas estaciones del año y a lo largo de los sucesivos ciclos solares. La actividad de la ionosfera en lo que a su papel dentro de la comunicación a larga distancia -CLD- le corresponde, depende de la intensidad de ionización de la misma, la cual, como ya hemos comentado, es fiel reflejo de la actividad solar. Esta a su vez mantiene una relación directa con el número de manchas solares existentes en cada momento, cuyo número varía cíclicamente con una periodicidad de 10.7 años, aunque nos referiremos en general al ciclo de los 11 años, siendo éste sólo un valor medio, pues se han registrado ciclos de 7.3 años como el más corto y de 17.1 años como el más largo [ARR92]. Un número elevado de manchas solares provoca una fuerte radiación solar con gran ionización en las capas altas de la atmósfera que es entonces capaz de devolver a la tierra frecuencias de hasta 40 1 Ángulo delimitado entre la recta que une un punto de la superficie terrestre con el sol y la vertical de ese punto.

10 8 MHz, mientras que por el contrario un bajo número de manchas y la baja actividad solar que le acompaña hace que descienda fuertemente la ionización, convirtiendo en prácticamente inútiles para la CLD las frecuencias situadas por encima de los 20 MHz. La indicación de la actividad solar podemos obtenerla para propósitos estadísticos y actividades retrospectivas de investigación a través del International Sunspot Number -ISN- [ARR92], calculado mensualmente mediante la media suavizada del número de manchas solares contabilizadas durante los seis meses anteriores y los seis posteriores al mes en cuestión. Si lo que necesitamos es la actividad solar actual la obtendremos a través del flujo de ruido radioeléctrico en la frecuencia de MHZ [CCI90], que ha demostrado ser una buena indicación del flujo solar. Se le acostumbra a denominar flujo solar en 10.7 centímetros y es transmitido por la estaciones patrón de frecuencia y tiempo WWV -Ft.Collins, Colorado, USA- en el minuto 18 de cada hora y WWVH -Kauai, Hawaii, USA- en el minuto 45 de cada hora, en las frecuencias de 1.5 MHz, 5 MHZ, 10 MHz 15 MHz y 20 MHz. Estas emisiones además de su utilidad como patrón de frecuencias y tiempo pueden servir como balizas para la comprobación de las predicciones de propagación que realicemos [ARR92]. [CCI90a]: Las capas ionosféricas que han demostrado tener relación con la CLD son las siguientes

11 9 Capa F: Se extiende por encima de los 130 Km y es la más alta de todas las capas que componen la ionosfera, dividiéndose durante el día en dos subcapas, la F 1 o de Appleton entre los Km y la F 2 o de Van Allen entre los Km de altura. La subcapa F 1 alcanza una densidad electrónica máxima de e/m 3, existiendo sólo durante el día, y si bien puede cumplir el papel de deflectora de algunas frecuencias, es más frecuente que actúe como atenuadora de las frecuencias que se reflejan en la subcapa F 2. La subcapa F 2 presenta una densidad típica de electrones de e/m 3 durante el día y de e/m 3 durante la noche, siendo la principal zona deflectora responsable de la comunicación a larga distancia, con una máxima distancia de salto único de 4000 Km. Su comportamiento es difícil de modelar, debido a que está influida por los vientos, por distintos efectos electrodinámicos y por la variación de la ionización debida a la diferente radiación solar durante el día y la noche, durante el curso de las distintas estaciones del año y a lo largo del ciclo solar de los once años. Capa E: También denominada de Headviside-Kennelly, está situada entre los Km de altura sobre la tierra e incluye a la capa E normal y a las denominadas capas esporádicas E -Es-.

12 10 La capa normal E es homogénea y existe sólo durante la radiación solar directa, alcanzando por tanto su máximo durante el mediodía local y desapareciendo durante la noche, ya que aquí la atmósfera es todavía lo suficientemente densa para que pueda existir una gran recombinación de los iones generados por la actividad solar. Presenta por tanto una fuerte dependencia del ángulo solar cenital, con máximos en su densidad electrónica durante el verano en lo que a la variación estacional se refiere e incrementándose asimismo al aumentar el número de manchas solares. Este máximo es del orden de los e/m 3 a la altura de 110 Km. Durante la noche desaparece prácticamente, quedando sólo restos de la ionización existente durante el día. Es la capa ionosférica mas baja y aún capaz de ser útil en la CLD, siendo muy adecuada para la propagación diurna a distancias menores de Km. Las capas Esporádicas-E, tienen su origen en la existencia de zonas relativamente densas de ionización situadas a unos 110 Km de altura, produciéndose únicamente en determinadas estaciones del año. No dependen de la actividad cíclica solar y son especialmente útiles en los períodos en los que la baja actividad solar deja cortada la propagación en las bandas por encima de los 21 MHz. Capa D: Situada a Km sobre la tierra. Tiene una actividad directamente proporcional a la radiación solar recibida, presentando unos valores máximos de ionización de e/m 3 inmediatamente después del mediodía local y

13 11 bajando a valores muy pequeños durante la noche, manteniendo asimismo una pronunciada variación estacional. Produce un marcado efecto de absorción de toda señal que pasa a través de ella, siendo esta absorción inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la frecuencia utilizada. Su incremento diurno y correspondiente disminución nocturna marcan la mínima frecuencia utilizable -LUF- para un determinado recorrido entre dos estaciones.

14 12 3 EL FENÓMENO FÍSICO. Cuando una onda de radio penetra en la ionosfera su campo eléctrico asociado imprime a los electrones liberados en la ionización producida por la radiación solar, un movimiento de oscilación que les hace volver a radiar como nuevos emisores, proceso en el cual podemos observar dos fenómenos distintos, uno de cambio de velocidad del frente de onda que produce la refracción del mismo y otro de cambio de la polarización de la onda reemitida, debido este último a la influencia del campo magnético terrestre sobre los orbitales afectados por los procesos de absorción-reemisión de la onda de radio. Veamos a continuación como una onda de radio de una frecuencia determinada que llega con un ángulo de incidencia adecuado, al encontrar un medio con una concentración creciente de electrones, sufre sucesivas refracciones hasta retornar a la tierra. Si ignoramos la influencia de campo magnético terrestre el índice de refracción de la ionosfera viene dado por la expresión siguiente [MAS90], n 2 = 1 - (f N / f) 2 (3.1)

15 13 donde f es la frecuencia de la onda incidente y f N es la denominada frecuencia de resonancia 2, proporcional a la raíz cuadrada de la concentración de electrones y cuyo valor viene determinado por la expresión, f N = 9 N 1/2 (3.2) Al ascender en la atmósfera vamos desde una concentración de electrones nula, con un índice de refracción igual a uno 3, hacia una concentración creciente de electrones, con su correspondiente disminución en el índice de refracción. Esto quiere decir que si la anchura de la capa ionizada es suficiente, la refracción de una onda radioeléctrica incidente continuará hasta que alcance los noventa grados. A partir de aquí el proceso continuará y la onda retornará de nuevo a la tierra por simetría, ya que ahora tendremos una onda de regreso que penetrará en una ionosfera de densidad electrónica decreciente e índice de refracción creciente, con un ángulo inicial de incidencia de noventa grados. 2 También denominada frecuencia de plasma. 3 Como obtenemos de la expresión 3.1, ya que si N = 0 entonces de 3.2 se deduce que f N = 0, con lo que n = 1.

16 14 Si bien la variación de la concentración de electrones es continua y la trayectoria de la onda es una curva también continua, modelaremos este proceso como si existiera un número casi infinito de capas de un ancho casi nulo. Aplicando la ley de Snell en el límite de cada capa obtendremos, n 0 sen t 0 = n 1 sen t 1 = n 2 sen t 2 =...= n n sen t n (3.3) Para un rayo que entre en la ionosfera bajo un ángulo de incidencia t 0 desde la atmósfera no ionizada, donde n 0 = 1, la reflexión tendrá lugar cuando t n valga noventa grados, o lo que es lo mismo, sen t n = 1 Llevando estas consideraciones a la expresión (3.3) llegamos a la conclusión de que la reflexión tendrá lugar a una altura donde la ionización tenga un valor que haga que el coeficiente de refracción sea, n = sen t 0 (3.4)

17 15 Para un incidencia vertical, donde sen t 0 = 0, la reflexión ocurre a la altura donde n = 0. De la ecuación (3.1) deducimos que esto ocurre cuando, f = f N. Si f V es la frecuencia reflejada en incidencia vertical a la altura donde la frecuencia de plasma es f N, obtenemos para la onda que incide oblicuamente la siguiente expresión, n 2 = sen 2 t 0 = 1 - (f N /f) 2 = 1 - (f V / f) 2 (3.5) y por tanto, (f V /f) 2 = 1 - sen 2 t 0 luego, (f V /f) 2 = cos 2 t 0 y f V /f = cos t 0

18 16 o, lo que es lo mismo, f = f V sec t 0 (3.6) Esto nos lleva a la conclusión de que una onda de frecuencia f que incide en la ionosfera bajo un ángulo t 0 será reflejada a la misma altura donde la intensidad de ionización electrónica sea suficiente para producir la reflexión de una onda de incidencia vertical y frecuencia, f v = f cos t 0 es decir, una determinada capa ionosférica reflejará siempre frecuencias más altas con una incidencia oblicua que con incidencia vertical. El análisis de una situación ionosférica determinada se realiza frecuentemente mediante sondeos verticales, comprobando el valor de f V o frecuencia máxima que en ese momento se refleja bajo un ángulo de incidencia vertical. A esta frecuencia se le denomina frecuencia crítica -f o -. Vemos como al aumentar el ángulo de incidencia también aumenta la frecuencia máxima utilizable junto al alcance, siendo esto último por razones geométricas evidentes -fig. 3.2 rayos 3 y 4-.

19 17 Asimismo vemos como en un frente de ondas que estaba siendo reflejado hacia la tierra, al disminuir el ángulo de incidencia, llega un momento en el que en lugar de reflejarse totalmente se refracta realizando una penetración lateral en la ionosfera -fig. 3.2 rayo 1-, pudiendo retornar a la tierra bajo ángulos muy diferentes. A este ángulo, por debajo del cual no existe un retorno neto de los frentes de onda previsto por leyes geométricas lo denominamos ángulo de distancia de silencio 4. Si seguimos disminuyendo el ángulo de incidencia aún más, nos encontraremos con que el frente de ondas incidente no sufrirá una refracción suficiente y después de una ligera desviación escapará al espacio exterior, denominándose entonces rayos de escape -Fig. 3.2, rayo 2-, los cuales han incidido en la ionosfera bajo un ángulo inferior a un ángulo límite denominado ángulo crítico. A estas conclusiones hemos llegado considerando una superficie terrestre y una ionosfera ambas planas, así como una densidad de iones estable en cada punto a lo largo del tiempo. Si consideráramos que la tierra tiene forma esférica y que la densidad de electrones varía en cada punto y a lo 4 Denominado habitualmente en la literatura anglosajona como ángulo de skip.

20 18 largo del tiempo, obtendríamos expresiones realmente complejas para encontrar la frecuencia a utilizar en función de la frecuencia reflejada bajo incidencia vertical. La práctica demuestra que es suficiente introducir un coeficiente de corrección k para obtener una aproximación adecuada. Así la ecuación 3.5 queda de la siguiente forma, f = k f v sec t 0 (3.7) En esta expresión, en la que lo mas importante es su forma funcional, fv es la máxima frecuencia reflejada en incidencia vertical, to es el ángulo de entrada del frente de onda en la ionosfera y k una constante cuyo valor dependerá de la capa en cuestión sobre la que se efectúa la refracción y de las circunstancias particulares de cada momento, tales como la estación del año, momento del ciclo solar en el que estemos, etc. Es en el cálculo del valor de ésta constante, para cada caso en particular, donde se centran todos los esfuerzos de los diferentes programas para la predicción de la propagación ionosférica.

21 19 4 LA PROPAGACIÓN REAL. Cuando una onda de radio se refracta en alguna capa ionosférica y vuelve a la tierra decimos que ha efectuado un salto, denominándose Distancia de Salto Único -DSU- a la distancia que, sobre la superficie terrestre, separa el punto de emisión de la señal del punto de llegada de nuevo a la tierra. El valor máximo que toma esa magnitud para una capa determinada en unas condiciones determinadas recibe la denominación de Máxima Distancia de Salto Único -MDSU-. Denominamos Ángulo de Radiación -AR- al ángulo formado por la trayectoria de la onda radioeléctrica emitida por una antena con el plano de la tierra. Las ondas emitidas bajo un gran ángulo desviarán poco su trayectoria, no retornando a la tierra. El ángulo a partir del cual se produce el retorno recibe el nombre de Ángulo de Radiación Crítico -ARC-. El valor de este ángulo dependerá fundamentalmente de la frecuencia utilizada, de la capa donde se efectúe la reflexión y de la distancia entre emisor y receptor. Definimos zona de silencio 5 a la distancia comprendida entre el punto donde ya no se recibe la señal transmitida, debido a la atenuación de la onda de tierra, y el punto donde de nuevo volvemos a recibirla, debido a la onda reflejada. Más adelante veremos como éste no es un concepto absoluto, ya 5 Denominada habitualmente en la literatura anglosajona como distancia de Skip.

22 que la señal puede ser recibida en esta zona a causa del fenómeno de dispersión unas veces, y por efecto de la capa Esporádica E en otras ocasiones. 20 Frecuentemente es más práctico considerar el trayecto de una onda radioeléctrica como el resultado de una reflexión en lugar de una refracción. Para una determinada DSU hablamos de una Altura Virtual -AV-, que es la altura donde estaría situada una hipotética capa que reflejaría nuestras ondas, de manera que obtuviéramos la misma DSU. Asimismo, definiremos el Ancho de Banda de Propagación como el conjunto de frecuencias utilizable para establecer un enlace radioeléctrico entre dos puntos geográficos determinados. Al límite superior de dicho intervalo lo denominamos frecuencia máxima utilizable o MUF 6 y al límite inferior frecuencia mínima utilizable o LUF 7. Entre ambos límites situamos la Frecuencia Óptima de Trabajo -FOT- como frecuencia mas adecuada al uso concreto que se pretende. Podemos considerar como válida la mayoría de las veces la aproximación que utiliza el valor de la FOT como 0.85 veces el valor de la MUF [CCIR 90b]. Todos estos valores se definen para unas condiciones de trabajo determinadas tales como potencia utilizada, modo de transmisión, la hora solar en los puntos de emisión y recepción de la señal, época del año, actividad solar, etc. 6 De la expresión inglesa Maximum Usable Frecuency. 7 De la expresión inglesa Lowest Usable Frecuency.

23 21 Naturalmente, una onda radioeléctrica puede refractarse en la ionosfera, retornar a la tierra y reflejarse sobre ella para, de nuevo, volver a refractarse y así realizar un número variable de sucesivos saltos, número que depende tanto del estado de la ionosfera como de las capas envueltas en la refracción, así como de la naturaleza de la superficie terrestre donde se efectúen las reflexiones. Esto provoca el que, en determinadas condiciones, el receptor pueda captar ondas que han realizado un diferente número de saltos, bien por haber sido emitidas bajo diferentes ángulos de emisión y haberse refractado en distintos puntos de la misma capa ionosférica, bien debido a que el trayecto de llegada se ha realizado por circunvalación de la superficie terrestre en distintos sentidos. Los distintos recorridos provocan la llegada de diferentes frentes de ondas con el mismo contenido pero con diferencias de tiempo, lo cual causará en definitiva fenómenos de desfase e interferencia con la consecuente alteración de la información transmitida. La repercusión final de esos procesos dependerá de las exigencias de fiabilidad del enlace, del modo de codificación de la información y de la forma de transmisión. Así pues, todas estas alteraciones en la onda radioeléctrica transmitida apenas producirán trastornos a una emisión en código Morse transmitido y recibido manualmente por operadores expertos, causarán dificultades de comprensión en determinadas circunstancias en la emisiones vocales de amplitud modulada -AM- o en banda lateral única -BLU-, y crearán severas alteraciones en los diferentes modos de transmisión digital como RTTY -radioteletipo-, ASCII, etc.

24 22 Esto ha determinado la creación de nuevos modalidades de transmisión digital con sistemas de corrección de errores como PACKET RADIO 8, AMTOR -comercialmente denominado TOR 9 - en sus distintas modalidades FEC 10, ARQ 11, etc., siendo necesario destacar la última aportación efectuada, denominada PACTOR que, como su nombre indica, es una asociación de las mejores características de los modos digitales PACKET y TOR. La propagación de una onda electromagnética entre dos puntos situados en la superficie terrestre se efectúa habitualmente por el camino mas corto, recorrido sobre un círculo máximo, que es la línea imaginaria producida por el corte de la superficie terrestre con un plano que pasa por los puntos de emisión y recepción de la onda, así como por el centro de la tierra. Sin embargo a veces no es éste 8 Versión para Radioaficionados del protocolo X25. 9 Del inglés, Transmiting Over Radio. 10 Del inglés, Forward Error Correction. 11 De la exp resión inglesa Automatic Repeat request.

25 23 el camino seguido, pues la trayectoria realizada sigue un círculo máximo pero por el camino mas largo. Esto puede ser debido, entre otros factores, a que este camino largo se recorra por un área donde al ser de noche, la capa D, principal responsable de la atenuación de las ondas refractadas en la ionosfera, ha desaparecido, pudiendo suceder además que, las reflexiones producidas sobre la tierra amortigüen más la onda que va por el camino corto que la del camino largo. Esto último puede suceder si las últimas reflexiones se producen sobre zonas altamente conductoras, y por tanto muy reflectantes, como la superficie del mar. Denominamos línea o franja gris a la línea que separa el día de la noche. En una cara de la tierra avanza hacia el día con el amanecer y en la cara opuesta avanza hacia la noche con el atardecer. La propagación a lo largo de la línea gris es muy eficiente, debido fundamentalmente a que la capa D, que absorbe fuertemente la radiación electromagnética, desaparece rápidamente con el anochecer y no le ha dado tiempo a formarse en el lado del amanecer, eliminándose de esta manera y en ese recorrido el principal obstáculo para la CLD. Consideraremos en último lugar el fenómeno denominado dispersión 12, por el cual una onda altera la trayectoria esperada según las leyes puras de la refracción y reflexión. La dispersión o scatter puede ser en sentido directo o de avance, produciéndose en la troposfera y para frecuencias superiores a los 20 MHz. Esto tiene como consecuencia la recepción de la señal radiada en la zona de silencio, siendo un fenómeno esporádico y poco utilizable para enlaces fijos. A veces observamos que después del primer salto las ondas se reflejan sobre la tierra hacia el transmisor, ya que la superficie terrestre no

26 es, en general, un medio liso y homogéneo, hablándose entonces de dispersión inversa. Este fenómeno, cuando se produce, es más estable, ayudando a disminuir la zona de silencio. 24 Veremos a continuación el comportamiento genérico respecto a la CLD de las distintas bandas de radioaficionado, ya que será en ellas donde se realizarán todos los desarrollos experimentales, al estar uniformemente distribuidas por todo el espectro de frecuencias de la HF y ser accesibles con los menores trámites administrativos y legales[arr92]. Hacemos la salvedad de que la banda de 1.8 MHz, correspondiente a 160 metros de longitud de onda, no pertenece en realidad a la HF sino a las frecuencias medias o MF, pero la incluimos aquí porque su uso puede ser, en algunas situaciones, determinante para conseguir el enlace deseado. Banda de 1.8 MHz (160 metros de longitud de onda). Sufre extrema absorción en la capa D durante el día, aunque las señales emitidas bajo ángulos muy altos pueden retornar a la tierra, proporcionando durante las hora diurnas un alcance de hasta 125 Km, aproximadamente. 12 Denominado Scatter en inglés.

27 25 Durante la noche, al disiparse la capa D, las señales emitidas con ángulos de radiación bajos proporcionan alcance de varios miles de Km. Los ruidos estáticos y los procedentes de las tormentas son muy abundantes durante el verano, llegando a veces a hacer imposible su uso. Es por tanto una banda nocturna y de utilización preferente durante el invierno. Banda de 3.5 MHz (80 metros de longitud de onda). Comportamiento muy parecido a la banda de 1.8 MHz pero sin tanta absorción diurna, por lo que su alcance puede llegar durante el día hasta los 400 Km. Durante la noche sus señales pueden llegar a los antípodas, manteniéndose la sensibilidad a los estáticos y a las ruidos producidos por las tormentas estivales. Es pues una banda nocturna e invernal como la anterior. Banda de 7 MHz (40 metros de longitud de onda).

28 Es la banda de frecuencia más baja en la que apreciamos la existencia de una zona de silencio o de skip. 26 Podemos utilizarla durante el día para comunicaciones hasta una distancia de unos 800 Km, distancia que variará en función de la hora solar en el punto donde se realiza la primera, y en general única refracción diurna, lugar que está situado normalmente en la mitad del trayecto entre el punto de emisión y el de recepción. Durante la noche posibilita comunicaciones alrededor del mundo entero, aunque de nuevo una cierta sensibilidad a los ruidos estáticos y a los producidos por tormentas provoca cierta incomodidad durante los meses veraniegos, sin llegar al extremo de las dos bandas anteriores, por lo que podremos usarla durante las horas nocturnas tanto en invierno como en verano. Es la banda de radioaficionados de frecuencia más baja utilizable para realizar comunicaciones alrededor del mundo entero. Banda de 10 MHz. (30 metros de longitud de onda).

29 27 Posee características comunes a las bandas diurnas y nocturnas, pudiéndose utilizar hasta los 1600 Km durante el día y proporcionando un alcance mundial durante la noche. Si bien, en general, puede ser considerada una banda de uso durante las 24 horas, durante las épocas de mínimo solar la MUF puede caer por debajo de los 10 MHz, pasando entonces a poseer el perfil de las bandas diurnas de frecuencias más altas. Es la banda de frecuencia más baja en la que se hace notar el efecto de las variaciones debidas al ciclo solar. Banda de 14 MHz. (20 metros de longitud de onda). Es la banda más usada para la CLD, pues está siempre disponible durante las horas diurnas con independencia de la influencia del ciclo solar, aunque en los momentos de máxima actividad de este queda abierta para las comunicaciones también durante toda la noche, pues es una frecuencia lo suficientemente elevada como para no sufrir una gran absorción en la capa D y al mismo tiempo lo suficientemente baja como para refractarse de una forma adecuada en las capas F 1 y F 2. Presenta una zona de silencio apreciable, no siendo de gran perturbación los ruidos estáticos sobre las comunicaciones.

30 28 Todas estas características positivas generan un importante problema que es la gran congestión existente en esta banda, lo cual produce frecuentes interferencias entre las distintas transmisiones. Banda de 18 MHz. (17 metros de longitud de onda). Similar en muchos aspectos a la banda de 21 MHz que describiremos a continuación, pero sin un influjo tan marcado de la actividad solar. Durante los años de elevada actividad solar es utilizable durante el día y las primeras horas de la noche para comunicaciones con todo el mundo, mientras que los períodos en los que esta actividad es moderada se cierra para todas las comunicaciones inmediatamente al anochecer. En los períodos de baja actividad solar es utilizable únicamente en las horas de mediodía en trayectos norte-sur y sólo en latitudes medias o en el ecuador. Banda de 21 MHz. (15 metros de longitud de onda).

31 Comportamiento muy similar a la banda de 14 MHZ pero con una gran dependencia de la actividad solar. 29 En los años en los que esta es máxima se mantiene abierta durante todo el día y hasta muy avanzada la noche a las comunicaciones con todo el mundo, pasando a ser una banda diurna en los años de actividad solar media y cerrándose completamente los años de baja actividad solar. Banda de 24 MHz. (12 metros de longitud de onda). Banda fundamentalmente diurna durante los períodos de moderada y baja actividad solar, siendo utilizable hasta bien avanzada la noche en los máximos de la misma. Nunca queda sin actividad salvo en los años de mínimo solar en latitudes altas. Incluso entonces se activa por esporádica E desde el final de la primavera hasta el otoño, aunque a veces es utilizable en ciertos períodos del invierno. Banda de 28 MHz. (10 metros de longitud de onda).

32 30 Es la banda con variaciones más extremas respecto al ciclo solar, durante cuyos máximos es posible establecer comunicaciones a grandes distancias utilizando muy poca potencia en el transmisor durante el día y hasta horas muy avanzadas de la noche. Al ir decayendo la actividad solar va recortándose el número de horas que es utilizable, llegando a quedar totalmente sin propagación durante los años de mínimo solar. También se activa por esporádica E desde finales de Abril hasta mediados de Agosto, con total independencia del ciclo solar. Si pretendemos establecer una comunicación entre dos puntos de la superficie terrestre separados por una determinada distancia necesitaremos conocer el intervalo de frecuencias que podemos utilizar, ya que si utilizamos frecuencias muy altas pueden no reflejarse en la ionosfera y escapar al espacio exterior y si utilizamos frecuencias muy bajas obtendremos una comunicación con ruidos excesivos y utilizando potencias mayores de las estrictamente necesarias[mas87]. El intervalo de frecuencias utilizables está limitado para cada lugar y momento por la frecuencia máxima utilizable y la frecuencia mínima utilizable, es decir la MUF y la LUF. La MUF la obtendremos multiplicando la frecuencia crítica por un factor que manifieste la relación existente entre la distancia de transmisión, el ángulo de elevación de la onda transmitida y la capa ionosférica donde se efectúe la refracción, pero la dificultad principal para la obtención de este

33 31 factor va a ser la variación de la ionización en las distintas capas ionosféricas, las cuales se corresponden con la distinta radiación solar durante el día y la noche, durante las distintas estaciones del año y a lo largo del ciclo solar de los once años. La LUF nos va a venir determinada por la absorción ejercida por la capa D, que va a ser inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la frecuencia utilizada. Dado que la utilidad o no de una señal determinada para la realización de una comunicación va a venir determinada por el hecho de que la relación señal/ruido de la onda recibida sea mayor que la permitida por el receptor utilizado, la LUF va a estar influida por todos aquellos factores que modifiquen la cantidad de energía que finalmente llegue al lugar de recepción, siendo mayor cuanto más lo sean las pérdidas sufridas por la onda en su camino desde el emisor hasta el receptor cualquiera que sea el origen de las mismas. Cuando se incrementa la potencia de transmisión, disminuyen las pérdidas de propagación ionosférica o se mejora el rendimiento de las antenas se obtiene un descenso, a veces muy importante, de la mínima frecuencia utilizable. Entre ambos límites se sitúa la frecuencia óptima de trabajo o FOT, que como ya hemos mencionado, se obtiene de una manera empírica multiplicando por el factor 0.85 el valor medio mensual de la MUF para el circuito en cuestión. Una vez tenidos en cuenta todos los efectos anteriormente mencionados, vemos como nuestro principal objetivo va a ser la determinación de la frecuencia crítica para un determinado circuito, lo cual,

34 como vamos a ver a continuación, no resultará fácil dada su dependencia de múltiples factores, algunos de los cuales van a resultar a efectos prácticos casi aleatorios. 32 Denominaremos f 0 X a la frecuencia crítica de la capa X, siendo la máxima frecuencia reflejada desde esa capa. Así f 0 E y f 0 F 2 son las frecuencias críticas de las capas E y F 2 respectivamente en una situación determinada, que estará relacionada con las densidades electrónicas máximas en la mismas. La densidad electrónica crece con la altura, siendo mínima en la capa D y máxima en la capa F 2 por lo que f 0 F 2 será siempre mayor que f 0 E y tomándose como válida, en general y para incidencia vertical, la igualdad, MUF = f 0 F 2 Como ya hemos visto en la expresión (3.1), a la frecuencia de plasma f N la podemos expresar con bastante aproximación como f N = 9 N 1/2 (4.1) siendo N la densidad electrónica en una capa determinada y f N la frecuencia en Hz.

35 33 Si tomamos N m como el valor máximo de la densidad electrónica en una capa, todas las ondas con incidencia vertical y con una frecuencia menor a su frecuencia de plasma serán capaces de volver a la tierra, estando la frecuencia crítica expresada por lo tanto como f 0 = 9 N m 1/2 (4.2) Podemos ver algunos valores habituales en la tabla de la siguiente página, aunque desgraciadamente estos valores sólo nos sirven como referencia, ya que para un mismo recorrido podemos observar grandes variaciones en la frecuencia crítica con el transcurrir del día, con los cambios de estación a lo largo del año y con los años dentro del ciclo de los once años, sin contar con la posible ocurrencia de variaciones en la propagación prevista, debidas a irregularidades en la radiación solar y a otros fenómenos como las esporádicas E, auroras boreales, etc. Podemos tener una apreciación de esta variabilidad de las condiciones considerando que se han determinado valores de la f 0 F 2 que no alcanzaban los 2 MHZ durante los años mas bajos del ciclo solar y tan altos como 15 MHz en presencia de esporádicas E, pudiéndose considerar como normal un valor de 10 MHz.

36 34 CAPA IONOSFÉR. PERÍODO CONC. ELECTR. F. CRÍT. (MHz) D Mediodía E Mediodía F 1 Día F 2 Día F 2 Noche Tabla 4.1

37 35 5 LA CALIDAD DE LA SEÑAL. Otro factor a tener en cuenta y tan importante como la MUF para un determinado recorrido es la calidad de la señal obtenida, pues de nada nos serviría recibir una señal con una aceptable relación señal/ruido si la distorsión sufrida durante el trayecto es de tal magnitud que nos imposibilite la decodificación de la misma. Una onda electromagnética sufre durante su recorrido desde el punto de emisión al de recepción diferentes alteraciones, siendo las mas importantes para el caso de una onda reflejada en la ionosfera las debidas a atenuación, retardo, fading o desvanecimiento, desplazamiento en frecuencia (Doppler), dispersión en frecuencia y en tiempo y distorsión de retardo. Tomemos una señal compleja y por tanto con distintas frecuencias dentro de un ancho de banda, la denominamos E(t) y la transmitimos de un punto a otro de la superficie terrestre, realizando este paso mediante una única reflexión ionosférica. Como toda onda que cruza un medio físico sufrirá retardo. Al ser la ionosfera un medio dispersivo, las distintas frecuencias que componen nuestra onda recorrerán caminos ligeramente distintos, lo cual conducirá a retardos también distintos para las mismas. A esta nueva onda compleja, distorsionada por el retardo temporal, la denominaremos E (t).

38 36 Sabemos también que nuestra onda va a sufrir atenuación y desvanecimiento 13 aleatorio, el primero de estos procesos debido a que el proceso de refracción ionosférica no tiene un rendimiento total del 100 % y el segundo producido por súbitas variaciones de los valores de ionización debidas a su vez a alteraciones de la radiación solar en el punto de la ionosfera donde se produce la refracción. Esta multiplicidad de procesos podemos incorporarla a nuestra onda E (t) multiplicándola por una ganancia aleatoria expresada por G(A,v,s,t), donde A representa la atenuación con un valor entre 0 y 1, v y s representan al fading en términos de desplazamiento y dispersión de frecuencia respectivamente. Ahora la onda que recibimos E R (t) tendrá la siguiente expresión, E R (t) = G(A.v,s,t).E (t-t) (5.1) 13 Fading en lengua inglesa.

39 37 Debemos ahora tener en cuenta el hecho de que nuestra onda puede haber sido reflejada por las capas E o F 1, que puede además haberse dividido en dos haces, uno ordinario y otro extraordinario, debido al efecto del campo magnético terrestre 14 y que finalmente puede haber llegado mediante un único salto o mediante varios. Todas estas posibles variaciones configuran los distintos modos de transmisión de una onda. Para el modo j-ésimo tendremos la expresión siguiente, E Rj (t) = G j (A j,v j,s j,t).e (t-t j ) (5.2) y la señal recibida, expresada como resultado de la suma de los diferentes modos, tendrá finalmente la siguiente expresión, E R (t) = j=1? n G j (A j,v j,s j,t).e (t-t j ) (5.3) Si además deseamos considerar la señal que nos pueda llegar a través de la onda de superficie (onda de tierra), esta sufrirá un retraso t g diferente pero no tendrá variaciones aleatorias y la nueva expresión de nuestra onda será, E g (t) = A g (t-t g ) + j=1? n G j (A j,v j,s j,t).e (t-t j ) (5.4) 14 Denominado habitualmente en lengua inglesa como splitting.

40 38 La aparente complicación de esta expresión se ve disminuida por el hecho de que la mayor parte de los distintos modos posibles sufre una fuerte atenuación, siendo útiles tan sólo unos pocos de ellos y siendo también frecuente el que no tengamos influencia alguna de la onda de superficie debido al relativo corto alcance de la misma. Veamos ahora con detalle cada uno de los fenómenos anteriormente expuestos, su causa, magnitud, variabilidad y efecto sobre la onda transmitida [MAS90]. Dispersión temporal (t j ): La señal que obtenemos en el punto de recepción es en realidad una suma de señales que han realizado recorridos muy distintos y que por tanto han sufrido distintos retrasos, dando lugar a una dispersión en el tiempo de la onda final. Esto es lógico si tenemos en cuenta que podemos estar recibiendo simultáneamente la señal propagada a través de la denominada onda de tierra junto a la refractada en la ionosfera, refracción que se ha podido realizar en varias capas de la misma simultáneamente y que por tanto ha podido dar lugar a distinto número de saltos durante su trayecto. Debemos de tener en cuenta también la posibilidad de estar recibiendo además señales que han realizado distintos trayectos ionosféricos debido a la posible incidencia en la ionosfera bajo

41 39 las denominadas trayectorias de ángulos alto y bajo, junto a la posibilidad siempre existente de que el efecto magnetoiónico en la ionosfera haya desdoblado nuestra onda en dos haces, ordinario y extraordinario, bajo la influencia del campo magnético terrestre. Todos estos procesos pueden interferir gravemente en la transmisión de datos cuanto estos retrasos son de magnitud comparable al período de la información digital transmitida, es decir a la duración de la información que separa un estado digital del siguiente transmitido, que denominaremos duración de estado, denominando al fenómeno descrito como interferencia interestados. Estudios recientes al respecto demuestran que existe una frecuencia por debajo de la MUF en la que la dispersión en el tiempo toma valores máximos. Valores que pueden servirnos como referencia son los siguientes [DAV66]: para un recorrido de Km podemos llegar a tener una dispersión temporal máxima de 3 ms, para Km de 5 ms y para 200 Km puede llegar a los 8 ms. Vemos por tanto como una elección adecuada de la frecuencia a utilizar es algo básico para obtener elevadas frecuencias de transmisión de datos, estando limitada la elección a un estrecho intervalo de frecuencias por debajo de la MUF ya que si descendemos mucho por debajo de la misma incrementamos notablemente la posibilidad de encontrar grandes retrasos por trayectos múltiples y de que por tanto tengamos que recurrir a la disminución del ritmo de transmisión de datos para poder evitar la interferencia interestados.

42 40 Desvanecimiento (G j ): Es frecuente que al analizar las señales recibidas en un receptor veamos que fluctúan en amplitud y fase, fenómeno al que hemos denominado desvanecimiento, que se aprecia como disminuciones de la intensidad de la señal recibida, con un carácter periódico y de frecuencia variable, del que son responsables los cambios que sufre la ionosfera. Estos son básicamente cambios en la curvatura del reflector ionosférico, rotaciones en los ejes de la elipse de polarización, variaciones temporales de la absorción y cambios en la densidad electrónica de la ionosfera, todo esto en lo que se refiere a un único modo de propagación, ya que a todo lo anterior debemos añadir los fenómenos de interferencia entre dos o más modos que tengan amplitudes equivalentes. En trayectorias de Km el desvanecimiento más común es el producido al amanecer y al anochecer, con un ritmo típico de 10 a 40 desvanecimientos por minuto Dispersión en frecuencia (v j ): El desplazamiento en frecuencia que se produce para una trayectoria simple (de modo único) está causado por las variaciones producidas en el tiempo de la altura de la capa reflectora y de la densidad electrónica.

43 41 En el caso de que el transmisor y el receptor estén fijos y si? es el ángulo de fase para un determinado haz en un tiempo t, resulta, v j = fd? cdt Los mayores desplazamientos en frecuencia -debidos al efecto Doppler- ocurren durante el día, con valores positivos relativamente elevados durante el amanecer y valores negativos durante el atardecer. En días en los que no hay grandes alteraciones ionosféricas podemos obtener valores que oscilan entre 0.01 y 1 Hz para trayectos de salto único, siendo en general mayores para las trayectorias con reflexión en la capa F que para las que lo hacen en la capa D, incrementándose en mayor medida en las incidencias verticales que en las oblicuas. No obstante, es frecuente encontrarse con desplazamientos entre 5 y 10 Hz durante la ocurrencia de grandes alteraciones ionosféricas, aunque sólo durante unos pocos minutos. Nos puede servir como referencia el hecho de que durante las llamaradas solares encontramos desplazamientos de 1-2 Hz. Dispersión en el tiempo (s j ): Dado que cada modo de propagación está compuesto por un número determinado de rayos o haces con trayectorias ligeramente diferentes, cada uno de ellos sufrirá desplazamientos en frecuencia ligeramente diferentes, resultando una dispersión de las frecuencias recibidas.

44 42 Valores aproximados en condiciones ionosféricas de tranquilidad podría ser [MAS87] de 0.02 Hz para las reflexiones en la capa E y de 0.15 Hz para las efectuadas en la capa F. Esta dispersión en frecuencia modula cada pulso transmitido y contribuye al desvanecimiento periódico de los pulsos recibidos, aunque con un período mayor que la duración típica de los mismos. Distorsión por retardo (t j ): La distorsión por retardo tiene su origen en el hecho de que el retardo sufrido por una onda depende de su frecuencia y por tanto no es constante para las distintas frecuencias contenidas en un ancho de banda determinado y en que la dispersión causada por la reflexión en la capa E es muy pequeña mientras que es de mayor magnitud si la capa reflectora es la F. En lo que se refiere a la transmisión de datos la importancia de la distorsión por retardo está relacionada con la tasa de cambio del retardo con la frecuencia y el tiempo, dado que un canal de propagación ionosférica no es estacionario ni en frecuencia ni en tiempo, aunque si limitamos el ancho de banda a unos 10 KHz y consideramos un tiempo lo suficientemente corto, alrededor de 10 minutos, podremos utilizar frecuentemente el modelo estacionario. De esta forma y considerando un número discreto de modos de propagación, podemos modelar

45 43 nuestro canal ionosférico mediante una línea de retardo con un numero también discreto de tomas, cada una de las cuales estará modulada en fase y amplitud por un coeficiente que varía en el tiempo.

46 44 6 LA ELECCIÓN DE LA FRECUENCIA. La posibilidad de comunicación en HF a través de la ionosfera entre dos puntos geográficos determinados va indisolublemente ligada a la capacidad de determinar en cada momento cuál es la frecuencia adecuada para llevarla a cabo desde el primer momento en el que se inicia la comunicación y a todo lo largo del tiempo que dure la misma. A esta capacidad de elección de las frecuencias adecuadas en función de las condiciones existentes en cada momento se le acostumbra a denominar gestión de frecuencias. Esta gestión de frecuencias se lleva a cabo mediante diferentes técnicas, que podemos clasificar en tres grandes grupos: 1. Predicciones ionosféricas a largo y a corto plazo. 2. Sondeos por pulsos ionosféricos y sondeos con desplazamiento de la frecuencia. 3. Evaluación en tiempo real de las condiciones de los canales de transmisión existentes. 1. Predicciones ionosféricas.

47 45 Ya hemos visto como las grandes variaciones en las concentraciones de las distintas capas electrónicas tienen un fiel reflejo en la MUF de cada momento -tabla Para establecer una comunicación de la calidad adecuada es necesario mantener la frecuencia utilizada por debajo de la MUF de cada período pero sin bajarla demasiado para no sufrir una absorción ionosférica excesiva, siendo la mejor elección en general, la FOT de cada recorrido. Es posible en la actualidad cumplir estas condiciones con una exactitud muy adecuada a los fines para los que se pretende, gracias a diferentes programas para ordenador, que realizan el cálculo de la media mensual de la FOT para cualquier lugar del planeta, evalúan la adecuación de las posibles frecuencias utilizables en términos de relación señal-ruido probable y otorgan un factor de calidad o coeficiente de confiabilidad para un rango de las mismas y para cada recorrido estudiado, definiendo así una ventana de frecuencias utilizables. El punto de partida de toda predicción de la MUF es la determinación de las frecuencias críticas de las capas E y F, es decir, f 0 E y f 0 F. La determinación en cualquier momento y lugar de la f 0 E es fácil, debido a su relación directa con el ángulo cenital solar, tiempo local y latitud, no existiendo sin embargo una relación tan directa como la anterior para la f 0 F, extremo éste de la máxima importancia, ya que es mucho mas frecuente el uso de esta última capa que el de ninguna otra, sobre todo en lo que a la CLD concierne. Esta dificultad se evita realizando sondeos de incidencia vertical en unas 200 estaciones distribuidas a lo largo y ancho de todo el mundo, obteniéndose cada hora valores de f 0 F 2 y de factores

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