Redes inalámbricas. ondas y antenas. Eduardo Interiano

Transcripción

1 Redes inalámbricas Comunicación y propagación de ondas y antenas Eduardo Interiano

2 Agenda Conceptos de los sistemas de comunicaciones inalámbricos. El cálculo en decibeles Conceptos de antenas y propagación de ondas Introducción al cálculo de enlaces de radio

3 Transmisor El transmisor se encarga de adaptar la señal al medio de transmisión específico, con el objeto de lograr transmisiones más eficientes Una de las operaciones de procesamiento de la señal más importante del transmisor es la modulación. Además del modulador, otras partes que integran el transmisor son: filtros, amplificadores y antenas 3

4 Modulación Es un proceso indispensable para acoplar de manera eficiente la señal con el medio de transmisión 4

5 Medio de transmisión Constituye el enlace físico entre el transmisor y el receptor permitiendo que la señal se transmita, a través de él, desde la fuente hasta el destino Si el medio es con base en conductores, la transmisión es eléctrica; si es el espacio atmosférico, la transmisión es electromagnética; si son fibras ópticas, la transmisión es luminosa 5

6 Atenuación Es el decremento progresivo de la potencia de la señal con la distancia. La atenuación es la característica principal común a todos los medios de transmisión 6

7 Receptor Se encarga de extraer del medio de transmisión ió la señal que se transmite y efectuar las operaciones contrarias a las del transmisor (demodulación) para regresar la señal a su condición inicial (banda base) Debido a la atenuación, la amplificación es también operación importante t del receptor 7

8 Demodulación Es la operación de restituir la señal a su condición inicial (banda base) y constituye la función medular del receptor también se conoce como detección 8

9 Interferencias Interferencia es cualquier señal, ajena o no al sistema, que se mezcla con la señal que se transmite provocando perturbaciones en ella, es decir, modificaciones indeseables en su contenido de información 9

10 Tipos de interferencias Distorsión Diafonía Ruido 10

11 Distorsión Se manifiesta como deformación de la señal y es generada por el propio sistema debido a que no responde en forma perfecta a la señal que se transmite (limitaciones del sistema) 11

12 Diafonía Son perturbaciones que sufre la señal por efecto de señales ajenas al sistema pero de forma similar a la señal deseada. Estas señales por lo general son producto de equipos fabricados por el hombre ej: interferencia i de radio en un teléfono 12

13 Ruido Son señales aleatorias o impredecibles que se agregan a la señal de información ió provocando su deformación parcial o total El ruido es generalmente producto de fenómenos naturales tanto del sistema como fuera de él. El ruido intergaláctico ti y el ruido térmico son ejemplos de señales de ruido 13

14 Señales Es la manifestación eléctrica de la información Es una tensión o corriente, que constituye la analogía eléctrica del mensaje que se desea transmitir 14

15 Cálculos en db: Uso Los decibeles se emplean para relaciones de potencia. Es una décima de Bel y es una unidad logarítmica. Si R = P 2 /P 1, es una relación de potencia: R( db) 10log10 Sirven para expresar ganancia, si la potencia de salida es mayor que la de entrada, y atenuación, en caso contrario R 15

16 Cálculos en db: Tabla R [real] R( db) 10log10 R

17 Cálculos en db: Ejemplos Calcule los db para las siguientes relaciones de potencia: 6000 y db db Calcule la relación de potencias para los siguientes valores en db: 49 db, -4 db 49 db db

18 Cálculos en db: Operaciones Puesto que el decibel es una unidad logarítmica, los cálculos que implican multiplicación, división, potencias y raíces se pueden desarrollar de forma algebraica en db Ejemplo: Los sistemas en serie, multiplican li sus potencias, en db, eso equivale a una suma simple: Potencia total: Potencia1(dB) + Potencia2(dB) + 18

19 Cálculos en dbm y dbw Se emplean también para indicar valores absolutos de potencia agregando una tercera letra m para miliwatts y W para watts 0 dbm = 1mW es la potencia de referencia R( dbm) 10log10 R( dbm) 10 P( mw ) 10 P( mw 1mW *1mW ) 19

20 Cálculos en dbm: Tabla Potencia [dbm] R( dbm) P 10 [ mw ]

21 Cálculos en dbm: Ejemplos Calcule los dbm para las siguientes potencias: 100 mw, 0.5mW 100 mw 20 dbm mw -3 dbm Calcule la potencia absoluta para los siguientes valores: -21 dbm, 36 dbm -21 dbm 8 W 36 dbm 3981 mw 21

22 Cálculos en dbi Se emplea para indicar la ganancia de antenas con relación a una antena isotrópica, o antena que radía igual en todas direcciones (referencia 0 dbi). Las antenas lo que hacen es enfocar la energía en una dirección particular, de esta manera hay ganancia en esa dirección. Por ejemplo una antena dipolo tiene una ganancia de 2.14 dbi 22

23 Cálculos en db, dbm y dbi Como todas las unidades son logarítimicas, se pueden operar entre sí sin problemas. Por ejemplo para un sistema de transmisión, el transmisor produce una potencia absoluta de 20dBm, el cable tiene una atenuación de 3dB y la antena tiene una ganancia de 6 dbi. Potencia máxima radiada por la antena: PT = 20 dbm 3 db + 6 dbi = 23 dbm 23

24 Relación señal ruido S/N Mide la amplitud relativa de la señal respecto al ruido Se expresa en db La presencia de ruido limita la fiabilidad con la que el receptor puede interpretar correctamente la información acó transmitida SNR Potencia de la señal Potencia media del ruido SNR( db) 10log10 SNR 24

25 Antenas La antena (radiador EM) es un dispositivo, que radia o recibe ondas electromagnéticas. La antena es la transición entre un dispositivo guía (línea de transmisión, guía de onda) y el espacio libre (u otro medio usualmente no limitado). Su propósito principal es convertir la energía de una onda guiada en la energía de una onda en el espacio libre (o viceversa) tan eficientemente como sea posible, mientras que al mismo tiempo la potencia radiada tenga un cierto patrón deseado de su distribución en el espacio.

26 Antenas de alambre Circulares, cuadrados, rombos

27 Antenas reflectoras Un reflector es usado para concentrar la energía electromagnética en un punto focal donde es localizado el receptor/alimentador. Los reflectores son usualmente parabólicos (paraboloides). De hecho, el primer uso de un reflector parabólico (cilindro) fue usado para ondas de radio por Heinrich Hertz en Raramente los reflectores de esquina son utilizados. Las antenas reflectoras tienen muy alta ganancia y directividad. Aplicaciones típicas son en radiotelescopios y en telecomunicaciones por satélite. No son fáciles de fabricar y, en su tecnología convencional, son muy pesadas.

28 Atenuación En la mayoría de los canales inalámbricos, la potencia radiada por unidad de área decrece con el inverso del cuadrado de la distancia r entre el punto transmisor y el receptor. Duplicando la distancia r decrecerá la potencia recibida en un factor de 4 (atenúa 6 db). Así, si un sistema particular tiene una pérdida de 100 db a r = 20 km, duplicando la distancia, resultará en 106 db (comparada con los 200 db de pérdida en un sistema de cable con atenuación de 5 db/km)

29 Pérdidas en coaxial y enlace de radio

30 Atenuación en el espacio libre La atenuación depende de: La frecuencia * * La distancia 20 4 d[ m] log 10 c[ m / s]/ f [ Hz] Ejemplo de cálculo con nomograma Frecuencia = 434 MHz Potencia = 0.1W Distancia = 3 m, 30 m, 300 m, 3 km, 30 km Solución = 35 db, 55 db, 75 db, 95 db y 115 db db 20log10 ( d [ km ]* f [ MHz ])

31 Ejercicios Caso original Frecuencia 2.4 GHz, distancia 100 m Efecto de duplicar la distancia Frecuencia 2.4 GHz, distancia i 200 m Efecto de duplicar la frecuencia Frecuencia 4.8 GHz, distancia 100 m Efecto de multiplicar la distancia por 10 Frecuencia 2.4 GHz, distancia 1000 m

32 Polarización de antena La polarización de la antena juega un papel importante en el diseño de la misma. La polarización viene definida por la trayectoria a que describe el vector de campo eléctrico co (o magnético) cuando se observa en el sentido de propagación de la onda (la onda se aleja del observador). Así, se tiene: polarización lineal: las variaciones del vector de campo eléctrico están contenidas una única dirección; polarización circular: el vector de campo eléctrico describe una trayectoria circular. Si rota en el sentido de las agujas del reloj, la polarización es a derechas. Si lo hace en sentido contrario, la polarización es a izquierdas; polarización elíptica: el vector de campo eléctrico describe una trayectoria elíptica. Al igual que antes, se puede distinguir entre polarización elíptica a derechas o a izquierdas.

33 Polarización lineal Polarización lineal vertical: El campo eléctrico viaja verticalmente Polarización lineal horizontal: El campo eléctrico viaja horizontalmente

34 Polarización lineal (2) Si una antena trabaja en polarización lineal vertical (por ejemplo, perpendicular a la superficie del suelo), en teoría sólo puede transmitir y recibir ondas verticalmente polarizadas (el campo eléctrico ha de variar en una dirección perpendicular al suelo). Si dos antenas no utilizan la misma polarización, sufrirán una pérdida de potencia (desacoplo de potencia). Tensión

35 Patrón de radiación Es un diagrama polar que representa las intensidades de los campos o las densidades de potencia en varias posiciones angulares en relación con una antena.

36 Patrón de radiación Si el patrón de radiación se traza en términos de la intensidad del campo eléctrico (E) o de la densidad de potencia (P), se llama patrón de radiación absoluto. Si se traza la intensidad del campo o la densidad d de potencia en relación al valor en un punto de referencia, se llama patrón de radiación relativa.

37 Campo eléctrico de antena de /2

38 Ganancia de antena La ganancia está relacionada con sus propiedades direccionales A mayor radiación en una dirección, mayor ganancia se puede medir en la posición del receptor La ganancia de una antena, usualmente, es la comparación contra un radiador isotrópico, que es aquel que tiene una radiación uniforme en todas direcciones

39 Ganancia de antena (2)

40 Antenas para WiFi azimut Elevación b) c) a) d) e)

41 Cálculo de enlace G T G R T R a LT a O a P a LR a T a O : Atenuación del espacio libre a P : Atenuación del enlace inalámbrico a L : Atenuación de la línea a T : Atenuación del enlace de transmisión a T = a P + a LR + a LT (en db) a P = a O +G T +G R (en db) (Las atenuaciones son negativas)

42 Cálculo de enlace: Ejemplo G T G R T R a LT a O a P a LR a T DATOS SOLUCIÓN f = 2.4GHz a O = 120 db d = 10 km a P = 120 db 15 dbi 15 dbi = 90 db coaxial con a = 5 db/km, 25m a L = 5 db/km * km = db Ganancia antenas = 15 dbi a T = 90 db db db = db Potencia transmisor = 100 mw P T = 20 dbm Sensibilidad del receptor = -85dBm P R = 20 dbm db = dbm > Mbps <8% PER

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