RAE. 1. TIPO DE DOCUMENTO: Proyecto de grado para optar al título de Ingeniero Electrónico

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1 RAE 1. TIPO DE DOCUMENTO: Proyecto de grado para optar al título de Ingeniero Electrónico 2. TITULO: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO PARA UN SISTEMA DE CONTROL REMOTO DE ANTENA DE MICROONDAS 3. AUTORES: VASQUEZ DIAZ, Nohora Elena; ORTIZ ÁVILA, Andrés y TRUJILLO ROJAS, Germán Augusto. 4. LUGAR: Bogotá (Cundinamarca). Universidad de San Buenaventura. Facultad de Ingeniería, Programa Ingeniería Electrónica. 5. FECHA: Octubre de PALABRAS CLAVE: Antena, Control, Enlace, GP32, LabView, Microcontrolador, Microondas, Motorola, Potencia, Remoto, Serial, Servomotor, Win IDE, Xbee, ZigBee 7. DESCRIPCIÓN DEL TRABAJO: Este trabajo es desarrollado a escala (prototipo) y plantea la posibilidad de crear un sistema que permita manejar de manera remota una antena receptora de microondas digitales, anclada sobre un servomotor, ubicados en el cerro La Calera, desde el centro de noticias del Canal Caracol localizado en Bogotá, utilizando el sistema de control del servomotor para mover la antena, es decir, un sistema de control remoto para la antena receptora. 8. LINEA DE INVESTIGACIÓN: El presente trabajo se enfoca por la línea de investigación de Tecnologías Actuales y Sociedad, que corresponde a las establecidas en la Universidad de San Buenaventura y dentro de esta, se orienta en las sublíneas de Sistemas de Comunicación e Información, Instrumentación y Control de Procesos. El campo de investigación está encaminado a las Comunicaciones y al Control. 9. FUENTES CONSULTADAS: CARDAMA AZNAR, Angel y otros. Antenas. España: Ediciones UPC, Universidad Politecnica de Cataluña, p. RAMIREZ ARTUNDUAGA, Jaime. Antenas. Bogotá: Editorial Universidad de San Buenaventura, VESGA FERREIRA, Juan Carlos. Microcontroladores Motorola-Freescale: programación, familias y sus distintas aplicaciones en la industria. Bogotá: Alfa Omega Colombiana, p. 10. CONTENIDOS: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA En este capítulo se describe de forma general el problema ingenieril, teniendo en cuenta los antecedentes sobre desarrollos parecidos. Se describen el objetivo general y los objetivos específicos, mediante los cuales se establecen los alcances y limitaciones del proyecto. DISEÑO INGENIERIL DEL SISTEMA En este capítulo se describe de manera detallada, el diseño y desarrollo ingenieril que se implemento, para dar solución al problema planteado. Se describen los componentes físicos que se utilizaron, como circuitería, dispositivos de movimiento (servomotor), también como los componentes lógicos. 11. METODOLOGIA: La metodología con la cual se desarrolló el presente trabajo comprendió en la recopilación de información detallada correspondiente al tema, a través de artículos especializados y científicos, enlaces de la Internet y libros especializados, que aportaron contenidos, logrando la más completa recopilación de normas, desarrollos y alcances correspondientes al objetivo del presente trabajo de grado. Dentro de esta actividad, también se incluyó lo relacionado con los recursos necesarios y existentes (hardware y software), mediante los cuales se lograría su culminación. 12. CONCLUSIONES: El diseño y desarrollo de las tareas destinadas para lograr el objetivo propuesto del presente trabajo de grado, motivaron la aplicación de diferentes opciones de solución, que mediante su ejercicio, lograron que sus participantes tuvieran el suficiente criterio, basado en el conocimiento adquirido durante la etapa de aprendizaje, para alcanzar la opción más apropiada de resolución. En dicho proceso se pudo evidenciar el comportamiento real de las antenas de microondas (transmisor y receptor) a la hora de establecer el enlace entre ellos, así como, el comportamiento de la señal al encontrar obstáculos o elementos de reflexión y refracción. Así mismo, la investigación realizada motivó la profundización en el manejo y configuración de los programas utilizados que llevaron al desarrollo de las diferentes acciones que se requerían ejecutar.

2 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO PARA UN SISTEMA DE CONTROL REMOTO DE ANTENA DE MICROONDAS NOHORA ELENA VÁSQUEZ DÍAZ ANDRÉS ORTIZ ÁVILA GERMÁN AUGUSTO TRUJILLO ROJAS UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA ELECTRÓNICA BOGOTÁ D.C. 2010

3 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO PARA UN SISTEMA DE CONTROL REMOTO DE ANTENA DE MICROONDAS NOHORA ELENA VÁSQUEZ DÍAZ ANDRÉS ORTÍZ ÁVILA GERMÁN AUGUSTO TRUJILLO ROJAS Trabajo de Grado como requisito para optar al título de Ingeniero Electrónico Asesor JAIME RAMIREZ ARTUNDUAGA Ingeniero Electrónico UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA ELECTRÓNICA BOGOTÁ D.C. 2010

4 Nota de aceptación: Firma del presidente del jurado Firma Jurado Firma Jurado Bogotá D.C., octubre de 2010

5 CONTENIDO pág. GLOSARIO INTRODUCCIÓN PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ANTECEDENTES Antenas satélite Cubesat Libertad I Sistema de Control de Antena Troll de Microondas de Radio Comunicaciones (MRC: Microwave Radio Communications) Control de antena SAT-NMS. E DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA JUSTIFICACIÓN OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN Objetivo General Objetivos Específicos METODOLOGÍA LÍNEA DE INVESTIGACIÓN DE USB / SUB-LÍNEA DE FACULTAD / CAMPO TEMÁTICO DEL PROGRAMA DISEÑO INGENIERIL DEL SISTEMA ENLACES DE MICROONDAS Frecuencias asignadas para operación Dipolo

6 Antena Isotrópica Antena Loop Antenas Parabólicas MOTORES Motor eléctrico Motor de corriente continua DISPOSITIVOS Y PROGRAMAS PARA EL DISEÑO DE CONTROL ELECTRÓNICO Dispositivos de control Microcontrolador Programas para el diseño del Control Electrónico Labview VISUAL BASIC MATLAB WIN IDE MPLAB Tipos de conexión para enlace de programas de control electrónico y los dispositivos de control Puerto RS Puerto Paralelo Puerto Ethernet Bus Universal en Serie (USB) Bluetooth OPCIONES DE ACCESO REMOTO Acceso escritorio remoto Acceso escritorio remoto a través de VPN ESTRUCTURA GENERAL DEL SISTEMA Diagrama de bloques Diagrama de flujo general del prototipo del sistema de control remoto de una antena de microondas

7 4.6 ADAPTACIÓN ANTENA DE MICROONDAS PARA EL MONTAJE DEL ENLACE DE MICROONDAS PROTOTIPO SERVOMOTOR PARA EL MOVIMIENTO DE LA ANTENA TERMINAL E INTERFACE PARA EL CONTROL LOCAL DEL SERVOMOTOR Y LA ANTENA RECEPTORA DE MICROONDAS Circuito de control del servomotor Programación del control del servo en el microcontrolador Programación del control del servo en el programa gráfico de control usado como interfaz para el usuario final Recepción del nivel de la señal del enlace de microondas Circuito receptor del nivel de potencia de la señal del enlace de microondas Configuración del nivel de la señal del enlace de microondas en el microcontrolador Configuración del nivel de la señal del enlace de microondas en el programa gráfico de control usado como interfaz para el usuario final Interfaz de comunicación entre el microcontrolador y programa gráfico de control usado como interfaz para el usuario final Circuito electrónico interfaz serial Configuración del puerto serial en el microcontrolador Configuración del puerto serial en el programa Labview ACCESO REMOTO AL SISTEMA DE CONTROL CONCLUSIONES RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFÍA ANEXOS

8 LISTA DE FIGURAS pág. Figura 1. Satélite Cubesat Libertad I 19 Figura 2. Antena Estación Terrena. 20 Figura 3. Panel de Control Sistema Control Antena Troll MRC. 22 Figura 4. Composición Sistema de Control de Antena SAT-NMS ACU-ODM. 23 Figura 5. Panel de Control Unidad Interna. 24 Figura 6. Control Remoto Antena. 24 Figura 7. Esquema de red de microondas. 31 Figura 8. Antenas de microondas. 34 Figura 9. Tipos de antenas parabólicas. 36 Figura 10. Motor Serie. 38 Figura 11. Motor Compound. 39 Figura 12. Motor Shunt. 39 Figura 13. Motores paso a paso. 40 Figura 14. Estructura típica de un servomotor. 41 Figura 15. Servomotor AC típico. 41 Figura 16. Componentes de un servomotor DC. 44 Figura 17. Conexión de un servomotor DC y tipos de conector. 45 Figura 18. Ambiente gráfico de Labview. 52 Figura 19. Niveles lógicos del protocolo RS Figura 20. Conector DB Figura 21. Conexión entre dos dispositivos con conector DB Figura 22. Interfaz ENC28J60. 60

9 Figura 23. Conformación de pines de un conector USB. 61 Figura 24. Estructura de una Piconet. 62 Figura 25. Esquema general funcionamiento prototipo. 67 Figura 26. Diagrama de bloques de funcionamiento general del sistema. 69 Figura 27. Diagrama de flujo general del sistema. 70 Figura 28. Antena de fábrica junto a su integrado. 72 Figura 29. Antena completa con el módulo de comunicación. 72 Figura 30. Diagrama de radiación de un dipolo de /2. 74 Figura 31. Campo de radiación del dipolo para la polarización vertical y horizontal. 75 Figura 32. Ejemplo de un dipolo con polarización vertical. 76 Figura 33. Pasos para la elaboración de los dipolos. 77 Figura 34. Armado del dipolo. 78 Figura 35. Montaje de la estructura del dipolo. 78 Figura 36. Pasos para el montaje del dipolo transmisor. 79 Figura 37. Estructuras finales de los dipolos. 79 Figura 38. Servomotor utilizado. 80 Figura 39. Circuito de Control del Servomotor por el microcontrolador GP Figura 40. Composición del periodo. 85 Figura 41. Instrumentos utilizados durante la obtención de la frecuencia de trabajo del servo. 86 Figura 42. Programación dato indexado. 90 Figura 43. Detalle comparación dato. 91 Figura 44. Opciones de selección posición del dato. 91 Figura 45. Panel de control selección posición dato. 92

10 Figura 46. Circuito electrónico receptor de potencia de la señal del enlace de microondas. 93 Figura 47. Configuración nivel de señal potencia de recepción. 96 Figura 48. Esquema de conexión puerto serial con el microcontrolador. 98 Figura 49. Configuración del puerto serial en Labview. 100 Figura 50. Configuración de computadores en red. 103 Figura 51. Configuración Grupo de Trabajo. 104 Figura 52. Configuración de acceso a escritorio remoto. 105 Figura 53. Acceso a conexión escritorio remoto. 106

11 LISTA DE TABLAS pág. Tabla 1. Cuadro comparativo motores eléctricos de corriente continua. 46 Tabla 2. Cuadro comparativo de microcontroladores. 50

12 LISTA DE ANEXOS pág. Anexo 1. Presentación final prototipo sistema de control remoto para antena de microondas. 113 Anexo 2. Esquemático circuito electrónico. 116 Anexo 3. Código programa diseñado para el microcontrolador. 117 Anexo 4. Diagrama de flujo programa diseñado en Labview. 122 Anexo 5. Hoja de datos módulo XBEE PRO. 123 Anexo 6. Configuración programa X CTU para establecimiento del enlace con módulos Xbee Pro Anexo 7. Manual de operación sistema prototipo control remoto antena de microondas.. 127

13 GLOSARIO ALINEACIÓN: en el campo de las antenas, consiste en ajustar un dispositivo con otro, de tal forma que se obtenga la mayor potencia, ganancia y menores pérdidas de paquetes de información. ANTENA: es un dispositivo que sirve para transmitir y recibir ondas de radio. Convierte la onda guiada por la línea de transmisión (el cable o guía de onda) en ondas electromagnéticas que se pueden transmitir por el espacio libre. BALIZA: objeto señalizador, utilizado para indicar un lugar geográfico o una situación de peligro potencial. BUFFER: es un dispositivo electrónico que evita el efecto de carga en un circuito. C++: es un lenguaje de programación considerado como híbrido, puesto que tiene la opción de ser orientado a objetos, pero también utiliza programación genérica. MOS: tecnología de semiconductores que utiliza circuitos de polaridad negativa (NMOS) y positiva (PMOS) y requiere menos energía para su funcionamiento. CSMA/CD: (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection). Es un protocolo usado en Ethernet, para garantizar que sólo un nodo de red se transmite en el cable de red en un momento dado; es decir, que cada dispositivo que vaya a transmitir escucha antes de hacerlo, lo que permite controlar las colisiones. DECIBELIO: expresa la relación logarítmica entre dos magnitudes acústicas o eléctricas o la que se estudia y una de referencia. Su unidad es el belio (B), que equivale a 10 decibelios, que representa un aumento de potencia de 10 veces sobre la magnitud de referencia.

14 DIFRACCIÓN: es el curvado y esparcido de las ondas al encontrar un obstáculo o al atravesar una rendija. FADING (desvanecimiento): desviación de la atenuación de una señal, que varía con el tiempo o con la posición geográfica, debido a la propagación multicamino, es decir, desvanecimiento múltiple inducido y a la sombra de los obstáculos que afectan la propagación de la onda. FIRMWARE: también llamada programación en firme, es el conjunto de instrucciones de programa para propósitos específicos, grabado en una memoria volátil donde se establece la lógica de bajo nivel para controlar los circuitos electrónicos de cualquier dispositivo. JAVA: es un lenguaje de programación orientado a objetos, se basa en C y C++, pero elimina herramientas de bajo nivel, que inducen errores. LENGUAJE C: Lenguaje de programación, orientado a la implementación de sistemas operativos, creación de programas y aplicaciones. LENGUAJE ENSAMBLADOR: denominado Assembly, es un lenguaje de bajo nivel usado para escribir programas informáticos y representa el código máquina específico para cada arquitectura de computador legible por un programador. MEMORIA FLASH: memoria no volátil, de bajo consumo, que se puede escribir y borrar, es programable en el circuito. MONOPOLO: o también llamada antena vertical, es una antena constituida por un solo brazo que irradia en posición vertical. OPTOACOPLADOR: es un dispositivo de emisión y recepción que actúa como interruptor excitado por una luz emitida por un diodo led que lo satura.

15 OSI: (Open System Interconnection) utilizado como referencia para la definición de arquitecturas de interconexión de sistemas de comunicaciones. OTP: (One Time Programmable), memoria no volátil de sólo lectura "programable una sola vez" por el usuario. PDA: Personal Digital Assistant o Ayudante personal digital, dispositivo manual de pequeño tamaño que combina un ordenador, teléfono/fax, Internet y conexiones de red. POLMORFISMO: es una característica donde varios objetos de distintas clases pueden recibir el mismo mensaje y ser capaces de responderlo. PROTOCOLO: conjunto de reglas usadas por computadoras para comunicarse unas con otras a través de una red. PROTOCOLO X25: protocolo que especifica una interfaz entre un sistema host y una red de conmutación de paquetes. QAM: (Modulación de Amplitud en Cuadratura). Este tipo de modulación consiste en modular en amplitud (ASK, Amplitude Shift Keying, Modulación por Desplazamiento de Amplitud) de manera independiente, dos portadoras que tienen la misma frecuencia, pero están desfasadas entre si 90º. La señal modulada QAM resulta de sumar ambas señales ASK, las cuales operan en el mismo canal sin interferirse mutuamente, porque sus portadoras están en cuadratura. REFLEXIÓN: cambio de dirección de una onda o un rayo que ocurre en la superficie de separación entre dos medios, regresando al medio inicial. REFRACCIÓN: cambio de dirección de una onda al pasar de un medio transparente a otro.

16 RESISTENCIA PULL UP: también llamada resistencia de polarización que indica que uno de sus terminales está conectado al positivo de la fuente de alimentación. RL: (Return Loss) es la pérdida de retorno o coeficiente de reflexión con base a la impedancia característica de la línea de 50 ohm conectada a la antena y la impedancia de la antena a la frecuencia de medida. SHF: (Super High Frequency), es una banda del espectro electromagnético que ocupa el rango de frecuencias de 3 GHz a 30 GHz: También llamada banda centimétrica, en el rango de 10 a 1 cm. SWITCH: es un dispositivo digital que interconecta redes de computadores en un mismo o diferente segmento, operando en la capa 2 y 3 del modelo OSI, teniendo cuenta las direcciones MAC de destino de las tramas de red. TCP / IP: es el conjunto de protocolo base del Internet, usados para enlazar computadores con diferentes sistemas operativos tanto de área local como de área extendida. TORQUE: corresponde al momento de una fuerza ejercida en un punto dado. TTL: tecnología usada en circuitos electrónicos digitales, cuyos elementos de entrada y salida son transistores bipolares. TROLL S750: es un mando a distancia muy avanzado y utilizado actualmente en periodismo electrónico, controla antenas, receptores y routers. VIA 2-WIRE DIALUP: una forma de acceso a Internet, a través de una conexión por línea conmutada.

17 VSWR: es la relación o tasa de ondas estacionarias medida en voltaje en una línea de transmisión. Su valor es 0% cuando la transmisión es óptima o bien adaptada y 100% cuando es muy mala o que no existe transmisión. WI-FI: es un conjunto de estándares para redes inalámbricas basados en las especificaciones IEEE WIRE LEASED LINE: es un circuito dedicado, usado en compañías telefónicas, que conecta permanentemente dos usuarios. WLAN: es un sistema de comunicación de datos inalámbrico flexible, como alternativa a las redes cableadas o como complemento de estas.

18 INTRODUCCIÓN Dentro de las tecnologías de avanzada que se han aplicado a los dispositivos electrónicos y de comunicaciones inalámbricas, como es el caso de las antenas, en el ámbito mundial se han desarrollado herramientas que permiten el acceso desde un sitio remoto con el fin de controlar su movimiento y alineación, optimizando las diferentes funciones que desempeñan y a la vez permitiendo que los equipos y servicios asociados tengan un alto nivel de eficiencia. El alcance de estos avances para los países en vía de desarrollo como Colombia, resulta demasiado costoso y de difícil adquisición. En Colombia, y de forma más precisa en la ciudad de Bogotá, existe un canal de televisión llamado CARACOL, y en su departamento de IN/OUT es necesario, por exigencia de comunicación, establecer una enlace de microondas digitales con una antena ubicada en el cerro La Calera. Actualmente, la alineación de este dispositivo se realiza de forma manual, es decir, se requiere de una persona en el sitio, para que ejecute esta tarea. De esta forma, es difícil contar con una persona que haga ese trabajo en el momento indicado y con la rapidez que lo amerita el trabajo de un noticiero en vivo que necesita transmitir con mucha agilidad las señales desde cualquier localidad de Bogotá. Al analizar esta situación, y observando los diferentes desarrollos en el área de la electrónica, el presente trabajo plantea la posibilidad de crear un sistema que permita manejar la antena receptora de microondas digitales ubicada en el cerro La Calera, desde el centro de noticias ubicado en Bogotá, utilizando el sistema de control del servomotor que mueve la antena y que se encuentra ubicado en el cerro. En otras palabras un sistema de control remoto para la antena receptora. 17

19 Otra propiedad que se busca con este sistema es la de tener acceso al dispositivo de alineación de la antena a cualquier hora del día sin importar las condiciones climáticas en el cerro La Calera. 18

20 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.1 ANTECEDENTES Dentro del campo enfocado al desarrollo de control de antenas se han encontrado algunas fuentes que permiten dar una idea de lo que se pretende realizar con el presente proyecto. A continuación se relacionan Antenas satélite Cubesat Libertad I. Este es el Microsatélite Cubesat Libertad I (Satélite cúbico cuyas dimensiones son 10x10x10 cm y su masa no mayor a 1 Kg), que aparece en la Figura 1, lanzado a órbita por la Universidad Sergio Arboleda, el 17 de abril de 2007, desde Baikonur, Kazajstán. Dentro de las funciones que realiza se encuentra enviar desde el espacio distintas señales comprimidas para ser escuchadas por diferentes estaciones terrenas en el mundo. Así mismo, envía señales que comprueban su estado de funcionamiento (comunicaciones, energía, software) e información que permite conocer su posición respecto al sol y a la tierra. Figura 1. Satélite Cubesat Libertad I. Fuente: 19

21 Está constituido por un sistema de vuelo, que se maneja a través de un microcontrolador (cerebro satélite). Posee un sistema electrónico de potencia para regular y suministrar la energía a todos los circuitos. Cuenta con un sistema de comunicaciones, compuesto de una tarjeta electrónica con su receptor y transmisor. Para el desarrollo de todas sus funciones mecánicas en el espacio el equipo de investigadores colombiano, diseñó y construyó el conjunto de antenas ubicadas en el satélite, como en la estación terrena, que mediante protocolo X25, permiten al satélite moverse de la forma diseñada. Esta antena que se puede observar en la figura 2, está ubicada en la estación terrena y cumple con especificaciones técnicas diseñadas donde se involucran: rango de frecuencias, ganancias, ancho de banda, polaridad, impedancias 1. Figura 2. Antena Estación Terrena. Fuente: 1 Universidad Sergio Arboleda, [Internet] [consultado 30 de octubre de 2009]. Disponible en 20

22 1.1.2 Sistema de Control de Antena Troll de Microondas de Radio Comunicaciones (MRC: Microwave Radio Communications). Este sistema denominado Receptor MRC adquiere y captura vídeo en directo a distancia mediante microondas. Ofrece control remoto de controladores de esclavos (como el Troll S750), a los sistemas de antenas remotas (como el ProScan y UltraScan DR) y otros equipos situados en una o más centrales de recepción. Las comunicaciones con el equipo remoto pueden ser transmitidas via 2-wire dialup, 2/4 wire leased line, conexión directa de RS-232, Ethernet, o Internet. El método se basa en las necesidades de los clientes para una configuración específica. El corazón del control Sistema de control MC-17 es el TouchStar, basado en un PC, montado en un bastidor que está diseñado para controlar múltiples dispositivos de microondas situado en los sitios remotos. El sistema de control opera dispositivos remotos a través de una interfaz común de usuario gráfica (GUI), según se muestra en la figura 3, que minimiza la necesidad de un operador TouchStar PRO que es un programa que ofrece una interfaz de usuario accesible a través de un montaje de rack con pantalla touch-scren. La interfaz de usuario proporciona acceso a y control de, antenas remotas, cámaras y otros equipos de comunicaciones basados en microondas. Un ratón y un teclado son proporcionados, pero en general no son necesarios para la operación diaria. Un built-in "teclado suave" ofrece la utilidad de caracteres, según sea necesario. MRC configura cada sistema basado en las necesidades del cliente. Esto incluye todos los parámetros relacionados con las antenas, Receptores, Decodificador / demoduladores, y otros dispositivos controlados a distancia. Puede controlar hasta 10 sitios remotos. Durante la operación, se puede acceder a cada sitio remoto a través de un solo botón. 21

23 Figura 3. Panel de Control Sistema Control Antena Troll MRC. Fuente: Microwave Radio Communications. Manual Sistema Central de Recepción Control de antena SAT-NMS. El sistema SAT-NMS ACU-ODM puede ser controlado remotamente por una aplicación de monitoreo y control, mostrada en la figura 4, ya sea a través de la interfaz TCP / IP o a través de una interfaz de serie RS232. Ambos métodos de comunicación utilizan los mismos comandos y parámetros, sin embargo, existen diferentes marcos alrededor de cada mensaje, según el método de comunicación utilizado. 22

24 Figura 4. Composición Sistema de Control de Antena SAT-NMS ACU-ODM. Fuente: Microwave Radio Communications. Manual Sistema Central de Recepción. En la figura 5 se puede apreciar la arquitectura de un sistema de control de antena con tres componentes. El dispositivo posicionador de la antena" únicamente de los controles de la antena. El 'Receptor Beacon mide el nivel de baliza del satélite. Ambos dispositivos son controlados por la Unidad Interna con interfaces arbitrarias (de serie, TCP / IP). Algunas funciones de seguimiento son realizadas por un módulo de software en el SAT- NMS ACU que es la unidad interior. 23

25 Figura 5. Panel de Control Unidad Interna. Fuente: Microwave Radio Communications. Manual Sistema Central de Recepción. La tarea principal de la unidad interior es la de realizar el seguimiento por satélite en esta configuración. Donde se lee el nivel de faro a través de un receptor y dirige a la interfaz de la antena para el seguimiento de pasos. La figura 6 visualiza la pantalla para el control remoto de la antena, donde se tiene acceso a varias opciones para su movimiento según la necesidad. Figura 6. Control Remoto Antena. Fuente: Microwave Radio Communications. Manual Sistema Central de Recepción. 24

26 1.2 DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA En la actualidad, el canal de televisión CARACOL, posee enlaces de microondas (transmisores portátiles) los cuales necesitan de una repetidora ubicada en el cerro La Calera (Municipio ubicado el Nororiente de la ciudad de Bogotá). Esta repetidora tiene una antena receptora que necesita ser posicionada cada vez que uno de los transmisores portátiles, requiere enviar una señal al centro de noticias, (ubicado en la sede del barrio La Floresta, Bogotá D.C.). Esta antena es alineada por un operador quien mueve un servomotor, el cual tiene un movimiento horizontal, permitiendo a la antena alcanzar un ángulo de apertura de 210. De esta manera, la antena es movida en este rango hasta que detecte el mayor nivel de señal y en ese punto es asegurada. En ese momento la señal se puede utilizar en el centro de noticias para ser procesada o emitida al aire. La señal emitida por el transmisor portátil opera en la banda de 2 GHz, mientras que el enlace hacia el centro de noticias opera en 18 GHz. Una de las condiciones exigidas al operario encargado de realizar la alineación de la antena receptora, es la de contar con disponibilidad permanente, para realizar esta labor. De igual forma, cabe resaltar el riesgo latente al que está expuesto, no solo por errores de maniobra, sino, por las constantes variaciones del clima, que pueden afectar de manera importante su salud. El operador encargado de alinear manualmente la antena, en ciertas ocasiones no se encuentra en la caseta de operación de la antena y el tiempo que se tarda en ubicarlo es muy largo para esperar a emitir una noticia de última hora, teniendo en cuenta que el tiempo es un factor primordial a la hora de transmitir en televisión y que afecta de manera trascendental a este medio de comunicación, como lo es el rating. Las actividades propias de un canal de televisión exigen, que en el caso de ser necesario, sin importar las variaciones del clima se pueda realizar la alineación de las antenas sin excusas. 25

27 Cómo mejorar el proceso de alineación de la antena de microondas, de tal manera, que se vean beneficiados tanto el canal de noticias, como el operario encargado de realizar este trabajo? 1.3 JUSTIFICACIÓN Dentro de las actividades propias que se ejecutan en el centro de noticias del CANAL CARACOL (Canal de Televisión de Colombia, cuya sede principal es la ciudad de Bogotá), se encuentra una de gran importancia y que es vital para que las diferentes transmisiones que surjan, cumplan el propósito de llegar al público en general. Consiste en la alineación de la antena receptora de microondas, ubicada en el cerro de La Calera y que permite el enlace con los transmisores portátiles de microondas, ubicados en cualquier parte de la ciudad de Bogotá, dependiendo del lugar donde se origine la noticia. La función de esta antena principal, es servir de repetidora de las señales recibidas para luego ser enviadas al centro de noticias del canal. Para que la citada actividad resulte exitosa, es necesario realizar la alineación de la antena ubicada en el cerro con la antena portátil respectiva, que puede estar ubicada en cualquier lugar de la ciudad, donde se produzca la noticia. Para la ejecución de este trabajo se presentan los siguientes inconvenientes: Se debe contar con un operario que posea la suficiente destreza, pericia y vocación de trabajo para realizar esta maniobra, pues la ausencia de estas capacidades puede ocasionar retardos en la obtención de la señal, así mismo, generar accidentes que perjudiquen tanto al operario, como al normal desempeño de las actividades propias del canal de noticias. La inclemencia del clima a las que se ve abocado el operario que realiza esta tarea, pues el sitio y las condiciones que rodean esta antena lo obligan a encontrarse totalmente al aire libre, situación que puede afectar su salud. 26

28 Por estas razones, es necesario optimizar esta tarea, de tal manera que a través de un dispositivo electrónico que involucre control y los elementos necesarios para el movimiento de la antena ubicada en el Cerro de La Calera, se genere la facilidad de acceso a este elemento y la posibilidad de realizar los ajustes necesarios en cualquier momento requerido desde el centro de noticias ubicado en la ciudad de Bogotá. Así mismo, se protege en gran medida al operario, tanto de cualquier falla de operación o de maniobrabilidad que tenga en la ejecución de esta tarea, como de las variaciones del clima y de los cambios de temperatura que pueden afectar su salud. Este proyecto, va orientado a la aplicación de técnicas de control electrónico, que involucra herramientas de gestión propias del campo; también involucra el campo de las comunicaciones donde se analiza el sistema más adecuado para implementar en este proyecto. 1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN Objetivo General. Diseñar y construir un prototipo de un sistema enfocado a permitir el control remoto del movimiento horizontal de la antena de microondas de 2 GHz encargada de la recepción de las señales de microondas móviles de Bogotá, ubicada en el Cerro La Calera en Cundinamarca Objetivos Específicos. Determinar las características técnicas y de desempeño de la antena que se quiere controlar remotamente (prototipo). Identificar y analizar las variables que intervienen en la alineación de la antena receptora, con el fin de establecer su alcance. Seleccionar los sensores o dispositivos similares que se utilizarán para la ubicación de la antena. Determinar los dispositivos mediante los cuales se realizará el control del sistema. 27

29 Diseñar e implementar el circuito que permita obtener el control remoto de la antena receptora (prototipo) desde el Centro de Noticias del Canal Caracol. Adecuar un método de comunicación existente, para tener acceso remoto al control de la antena (prototipo) en el cerro La Calera desde el centro de noticias en Bogotá. 28

30 2. METODOLOGÍA La metodología con la cual se desarrolló el presente trabajo comprendió en primera instancia la recopilación de información detallada correspondiente al tema, a través de artículos especializados y científicos, enlaces de la Internet y libros especializados, que aportaron contenidos, logrando la más completa recopilación de normas, desarrollos y alcances correspondientes al objetivo del presente trabajo de grado. Dentro de esta actividad, también se incluyó lo relacionado con los recursos necesarios y existentes (hardware y software), mediante los cuales se lograría su culminación. En segunda instancia, se realizó un análisis minucioso de toda la información recolectada que permitió establecer y definir el método más conveniente y benéfico, en el campo tecnológico como en el social y de esta manera lograr un óptimo diseño e implementación del prototipo del sistema de control que se buscaba desarrollar. En tercera instancia, se procedió a la realización del diseño del prototipo del sistema de control remoto para la antena de microondas, que incluyó detalles de los equipos que se debían implementar, soluciones de software, tipo de medio de comunicación más apropiado, así como, los demás aspectos que tuvieran relación y que se hubiesen descubierto durante la etapa del análisis, que fueran conveniente mencionar y aclarar, para luego pasar a la implementación del prototipo. Como parte final se realizó la implementación del prototipo del sistema de control remoto de la antena de microondas, donde se materializó el diseño propuesto. 29

31 3. LÍNEA DE INVESTIGACIÓN DE USB / SUB-LÍNEA DE FACULTAD / CAMPO TEMÁTICO DEL PROGRAMA El presente trabajo se enfoca por la línea de investigación de Tecnologías Actuales y Sociedad, que corresponde a las establecidas en la Universidad de San Buenaventura y dentro de esta, se orienta en las sublíneas de Sistemas de Comunicación e Información, Instrumentación y Control de Procesos. El campo de investigación está encaminado a las Comunicaciones y al Control. Dentro de la sublínea de Comunicación e Información, el presente trabajo está orientado al análisis de las señales que se transmiten y su manejo analógico y digital. En relación con la sublinea de Instrumentación y Control de Procesos, el presente trabajo se orienta a la automatización de un proceso, donde se analizan las variables que intervienen, que llevará al cálculo matemático y al diseño e implementación del sistema. En cuanto al alcance y limitaciones, el proyecto es desarrollado a nivel de prototipo y comprende el diseño e implementación de un sistema de control remoto de la antena receptora de microondas digitales dirigible únicamente en paneo, que ofrece un ángulo de movimiento de 180 horizontalmente. El control remoto concluye cuando la alineación establecida entre el emisor y el transmisor obtiene el mayor nivel de potencia. El sistema debe ser manual dado que el canal de noticias cuenta con varias estaciones móviles, cada una con sus respectivas antenas que trabajan en la misma frecuencia de transmisión, originando que al momento de alinearse la antena receptora con alguna de ellas, pueda enlazarse con alguna cercana y no con la requerida. Es un sistema que ofrece características de confiabilidad y de fácil manejo, además de un acceso a cualquier hora del día y bajo cualquier condición climática. 30

32 4. DISEÑO INGENIERIL DEL SISTEMA 4.1 ENLACES DE MICROONDAS Un enlace vía microondas está conformado por tres elementos fundamentales: El transmisor, el receptor y el canal aéreo. El transmisor se encarga de modular una señal digital a la frecuencia utilizada para transmitir. El canal aéreo significa el camino abierto entre el transmisor y el receptor, donde éste último se encarga de capturar la señal transmitida y convertirla de nuevo en señal digital. Un factor que limita la propagación de la señal en los enlaces de microondas es la distancia existente entre el transmisor y el receptor. Además se requiere que esta trayectoria se encuentre libre de obstáculos. Otro factor que influye en el establecimiento de estos enlaces, es que el camino entre el transmisor y el receptor debe tener una altura mínima sobre los obstáculos en la vía. Para compensar el efecto se utilizan torres para ajustar dichas alturas. De acuerdo a lo que se observa en la figura 7, la distancia cubierta por enlaces de microondas puede ser incrementada por el uso de repetidoras, las cuales amplifican y redireccionan la señal. Si se presentase obstáculos, estos pueden ser salvados mediante reflectores pasivos. Figura 7. Esquema de red de microondas. Terminal C Repetidora Antena Receptora Amplificador Bajo Ruido Conversor Frecuencia Driver Pre Amplif. Amplific. Salida Antena Transmisora (LNA) Terminal A Repetidora Repetidora Repetidora Repetidora Terminal B 31

33 La señal de microondas transmitida es distorsionada y atenuada mientras viaja desde el transmisor hasta el receptor, debido a que la longitud de onda de las microondas es relativamente pequeña. Estas atenuaciones y distorsiones son causadas por una pérdida de poder dependiente a la distancia, reflexión y refracción originada por obstáculos y superficies reflectoras, así como, por pérdidas atmosféricas. Esto se presenta, porque la onda no sufre el fenómeno de difracción, que permite la restitución de las mismas, al incidir sobre otros obstáculos, sino que son reflejadas por ellos, impidiendo así su propagación. Un enlace de microondas utiliza frecuencias en la banda SHF, debido a que en esta banda se puede disponer de un ancho de banda más grande. Dependiendo de las distancias existentes entre los puntos que requieren una comunicación, las transmisiones se pueden realizar en un solo enlace (salto) o en varios enlaces (saltos), mediante la utilización de estaciones repetidoras. La distancia entre saltos, sin obstáculos que impidan que las antenas que intervienen tengan línea de vista, se encuentra aproximadamente en 40 km. El tipo de enlace que se puede utilizar en estos enlaces terrestres por microondas, puede ser analógico o digital. Sin embargo, el más utilizado es el QAM (Modulación de Amplitud en Cuadratura). Así mismo, las potencias de los transmisores son bajas, lo que se compensa con antenas de alta ganancia. Por lo general, se utilizan antenas parabólicas de ganancias que alcanzan los 40 db. En los radioenlaces de microondas, se presenta un desvanecimiento (fading) en la intensidad de la señal que se transmite, lo que se origina por: Atenuación debido a la lluvia. Las señales de radio que se encuentran por encima de los 10 GHz, son absorbidas por las gotas de agua, generando pérdida de energía en estas señales. Refracción. Las señales de alta frecuencia, siguen una trayectoria que presenta una ligera curvatura descendente (refracción), debido a que el índice de refracción de la tropósfera disminuye a medida que se aumenta la altura sobre la superficie terrestre. Desgaste de los equipos. Debido al uso constante de los equipos, elementos y dispositivos que hacen parte del enlace de microondas, estos van perdiendo eficiencia, 32

34 se van envejeciendo, bien por su tiempo prolongado en uso o por falta de mantenimiento oportuno y adecuado Frecuencias asignadas para operación. Las microondas ocupan una porción del espectro de frecuencias entre 1 y 300 GHz, que corresponde a 10 cm y 10 mm, en longitudes de onda. En la práctica son ondas del orden del 1 GHz a 12 GHz. La banda espectral de las microondas se divide en sub-bandas de la siguiente forma: Sub-banda S, cuya frecuencia de trabajo es de 1.5 a 8 GHz, con una longitud de onda aproximada de 10 cm. Sub-banda X, cuya frecuencia de trabajo es de 8 a 12.5 GHz, con una longitud de onda aproximada de 3 cm. Sub-banda K, cuya frecuencia de trabajo es de 12.5 a 40 GHz, con una longitud de onda aproximada de 1.1 cm. Sub-banda Q, cuya frecuencia de trabajo es de 40 a 50 GHz, con una longitud de onda aproximada de 0.8 cm. Las ventajas obtenidas por el uso de estas frecuencias son: Las antenas pequeñas son efectivas. Con estas frecuencias, las ondas de radio se comportan como ondas de luz, por ello la señal puede ser enfocada utilizando antenas parabólicas y antenas de embudo, además, pueden ser reflejadas con reflectores pasivos. Su ancho de banda va de 2 a 24 GHz. Es importante indicar que no se deben reasignar frecuencias que correspondan a enlaces alineados, porque puede provocar problemas de intermodulación entre sus componentes. De igual manera, se deben utilizar antenas tanto transmisoras como receptoras, lo más 33

35 directivas posibles, es decir, que sus radiaciones laterales y traseras sean mínimas, donde su relación delante detrás (RDD, F/B (Front/Back), relación existente entre la máxima potencia radiada en una dirección geométrica y la potencia radiada en la dirección opuesta a esta), sea de por lo menos 20 db. Tipos de Antenas. Para el caso de las microondas se utilizan antenas parabólicas, tal como la mostrada en la figura 8, donde se puede observar el domo de protección que lleva para el uso en intemperie, así como, la instalación de la misma dentro de ese domo. En algunos sistemas, como en el caso de Wi-Fi (Wireless-Fidelity), se usan dipolos para corta distancia y antenas de loop o horn para mayores distancias. A continuación se hace una descripción de este tipo de antenas. Figura 8. Antena de microondas. Domo protector Instalación antena de microondas Fuente: Tomada durante el desarrollo del presente trabajo Dipolo. Es una antena con alimentación central empleada para transmitir o recibir ondas de radiofrecuencia. El dipolo simple, consiste en dos elementos conductores rectilíneos colineares de igual longitud, alimentados en el centro y de radio mucho menor que el largo. Su longitud corresponde a la mitad de la longitud de onda de la frecuencia de 34

36 resonancia del dipolo y su cálculo se hace mediante: (150/frecuencia en MHz). Por el efecto de bordes, la longitud real es algo inferior equivalente al 95% de la longitud calculada Antena Isotrópica. Es de tipo omnidireccional. Su patrón de radiación se encuentra alrededor de todo este dispositivo, generando una esfera con centro en la antena. Lo que indica, que esta antena puede enviar o recibir señal con las mismas condiciones, sin importar la posición en la que se encuentre Antena Loop. Como su nombre lo indica, forma un lazo en su configuración geométrica. Es empleada principalmente en recepción para determinar la dirección de la que procede la radiación. Es común encontrarla en televisores UHF. Posee pequeñas dimensiones, mayor radiación en el plano del lazo y gran ancho de banda Antenas Parabólicas. Este tipo de antenas que se aprecian en la figura 9, resulta ser el más utilizado en los enlaces de microondas, tanto para enlaces terrestres punto a punto, como en los satelitales. Antena Grid (Grilla) o de Reflector de Rejilla. Este tipo de antena es usada en frecuencias de microondas bajas, por debajo y cerca de 2.5 GHz. Su ventaja es poseer menos carga de viento (wind loading) sobre la torre. Desde el punto de vista eléctrico, tienen los mismos parámetros de la antena de plato sólido, de esta manera, puede ser usado el mismo terminal alimentador (conector) y no existe diferencia entre un reflector sólido y uno tipo rejilla. Antena estándar. Este tipo de antena es simplemente parabólica convencional. Son usualmente construidas de aluminio, por el bajo peso del material, manufacturadas por planchado de una hoja de aluminio alrededor de un spinning. Los reflectores no dependen de la frecuencia, pero a medida que aumenta ésta última, la superficie requiere de mayor perfección. Posee parámetros estándares de ganancia, relación F/B (Delante/Detras), ancho de haz y RL (Return Loss). Si se requiere modificar alguno de estos parámetros, es necesario realizar cambios a la antena. 35

37 Figura 9. Tipos de antenas parabólicas. Fuente: Antena de plano focal. Mejora la supresión de los lados laterales y la razón F/B (delante / detrás). Esta antena, extiende la superficie del paraboloide hasta el plano donde se ubica el foco para evitar los lóbulos laterales e intentar mejorar la relación F/B. Antena de alto rendimiento. Es usada cuando se requiere una muy buena relación F/B, con muy buena supresión del lóbulo lateral. Estas antenas usan un montaje en material absorbente, alrededor del borde del plato, para eliminar la radiación desde los lados laterales y posteriores de la antena. Para el caso de antenas de muy alto rendimiento, usadas cuando se requiere la reutilización de frecuencias, el terminal alimentador, es envuelto también con este material absorbente lo que genera reducción en la ganancia. Antena Cassegrain. Diseñada por Cassegrain en el Siglo XVII, se caracteriza por llevar un segundo reflector cerca de su foco. El mayor apunta al lugar de recepción y las 36

38 ondas al chocar, se reflejan y van al foco donde está el reflector menor, al chocar las ondas, van al último foco donde estará colocado el detector. Antena Slipfit. Esta antena es montada en conjunto con el equipo de radiofrecuencia, cuando éste último es montado al aire libre, con el fin de evitar atenuaciones debido a largos tramos de líneas de transmisión. Se utiliza cuando se manejan altas frecuencias, debido a que la atenuación crece con la frecuencia en las líneas de transmisión. La conexión utilizada en este montaje es propietaria, debido a ello es desarrollado por un diseño de empalme entre los fabricantes de radio y antenas. 4.2 MOTORES En términos generales, el motor es un mecanismo encargado de transformar la energía originada por diferentes factores (hidráulicos, químicos, eléctricos, etc.), en energía mecánica destinada a realizar un trabajo. Su campo de aplicación es muy amplio, como compresores, generadores, bombas de superficie, vehículos, entre otros. Los motores se clasifican en diferentes tipos, sin embargo, para el presente trabajo sólo se describirán los motores de corriente continua Motor eléctrico. Es una máquina eléctrica que transforma la energía eléctrica en energía mecánica, a través de interacciones electromagnéticas. Para su funcionamiento, se debe conectar a una red de suministro de energía eléctrica o como alternativa puede utilizar baterías. La cantidad de elementos que lo conforman es mucho más pequeña que un motor térmico, lo que disminuye las opciones de falla. Es utilizado ampliamente en el campo industrial Motor de corriente continua. En un motor eléctrico la conversión de energía se origina por la interacción entre una corriente eléctrica y un campo magnético, mediante un movimiento rotatorio. Este campo magnético, se forma entre los dos polos opuestos de un imán, que es una zona donde se ejerce una fuerza para hacer girar un eje, generando la transformación de la energía eléctrica en movimiento mecánico. Se clasifican en: 37

39 Motor Serie. En esta clase de motor, el inducido y el devanado inductor de excitación van conectados en serie, como se muestra en la figura 10. En este dispositivo, la corriente del inductor, es la corriente del inducido absorbida por el motor. Este motor se caracteriza porque su potencia es constante a cualquier velocidad y teniendo en cuenta que al disminuir el flujo inductor, aumenta la velocidad debido a que la intensidad en el inductor es igual a la del inducido, este motor se embala en vacío. Figura 10. Motor Serie. Fuente: Motor Compound. Se caracteriza porque su excitación es generada por dos bobinados inductores independientes, tal como se indica en la figura 11; uno de ellos conectado en serie con el bobinado inducido y el otro conectado con el circuito constituido por los bobinados inducido, inductor serie e inductor auxiliar. 38

40 Figura 11. Motor Compound. Fuente: Su velocidad es más suave que la del motor shunt y más fuerte que el motor serie, ambos motores de corriente continua. Motor Shunt o Motor de Excitación en Paralelo. Su bobinado inductor principal está conectado en derivación o paralelo con el circuito formado por los bobinados inducido e inductor auxiliar, según se muestra en la figura 12. Figura 12. Motor Shunt. Fuente: 39

41 El uso de estos motores se recomienda cuando en el proceso que se maneja, existen acumuladores como reserva o para servicios auxiliares, de esta manera, se protege el dispositivo que lo contenga de que se invierta la polaridad del circuito de excitación. Motor eléctrico sin escobillas. Este tipo de motor no emplea escobillas para realizar el cambio de polaridad en el rotor. Su rotor, la parte móvil, está compuesto por el eje y los imanes permanentes; en la carcasa estator, se encuentra el bobinado del hilo conductor, que no se mueve. La corriente eléctrica pasa por el hilo conductor que está bobinado en la carcasa y produce el campo electromagnético que hace girar a los imanes permanentes y al eje donde están unidos. Por esta razón, ni las escobillas ni el conmutador son necesarios, puesto que la corriente va al estator. Motor paso a paso. Está constituido por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un número de bobinas excitadoras bobinadas en su estator. Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imán permanente. Toda la conmutación (o excitación de las bobinas) deben ser externamente manejada por un controlador. En la figura 13 se puede observar la forma de presentación de este tipo de motor. Figura 13. Motores paso a paso. Fuente: 40

42 El motor paso a paso puede ser de dos categorías: de imán permanente y de reluctancia variable. Así mismo, existe una combinación de ambos que se denominan híbridos. Los motores paso a paso se usan en sistemas simples de control en lazo abierto, generalmente en sistemas que operan a bajas aceleraciones con cargas estáticas. Estos motores son ideales para la construcción de mecanismos donde se requieren movimientos muy precisos. Su característica principal es el poder moverlos un paso, par cada pulso que se le aplique. Además poseen la habilidad de poder quedar enclavados en una posición, o bien totalmente libres. Servomotor. Este tipo de motor tiene la capacidad de ubicarse en cualquier posición dentro de su rango de operación y mantenerse estable en dicha posición. Está constituido por un motor, una caja reductora y un circuito de control. Su rango de operación es de aproximadamente 180º. Se utiliza con frecuencia en sistemas de radio control, de control (posicionar palancas, ascensores, timones) y en robótica. En las figuras 14 y 15, se observa detalladamente cada uno de los componentes de este tipo de dispositivo. Figura 14. Estructura típica de un servomotor. Fuente: Figura 15. Servomotor AC típico. Fuente: 41