Transmisión por Canal Radioeléctrico

1. Transmisión por Canal Radioeléctrico

2. CONTENIDO • La Onda Electromagnética • El Espectro Electromagnético • Polarización de las Ondas Electromagnéticas • Bandas de Frecuencias Para Operación de Sistemas • Frecuencias Utilizadas en Enlaces Radioeléctricos • Medios de Transmisión • Radiación • Diagrama en Bloques de una Red de Microondas • Ruido • Medidas de Transmisión • Transmisión por Canal Radioeléctrico

3. La Onda Electromagnética • Una onda electromagnética es una onda transversal compuesta por un campo eléctrico y un campo magnético simultáneamente. Ambos campos oscilan perpendicularmente entre sí. • Las oscilaciones del campo eléctrico sólo se producen en el plano del tiempo, son perpendiculares a las oscilaciones del campo magnético, y ambas son perpendiculares a la dirección de propagación de la onda.

4. La Onda Electromagnética • Las tres características principales de las ondas que constituyen el espectro electromagnético son: Frecuencia (f), Longitud ( ) y Amplitud (A) • La frecuencia de una onda responde a un fenómeno físico que se repite cíclicamente un número determinado de veces durante un segundo de tiempo • La distancia horizontal existente entre dos picos o valles consecutivos, o también el doble de la distancia existente entre un nodo y otro se denomina “longitud de onda” ( ) .

5. La Onda Electromagnética • La amplitud constituye el valor máximo que puede alcanzar la cresta o pico de una onda. El punto de menor valor recibe el nombre de valle o vientre, mientras que el punto donde el valor se anula al pasar, se conoce como “nodo” o “cero”.

7. Polarización de las Ondas ElectRomagnéticas • La polarización electromagnética es un fenómeno que puede producirse en las ondas electromagnéticas, por el cual el campo eléctrico oscila sólo en un plano determinado, denominado plano de polarización. • Este plano puede definirse por dos vectores, uno de ellos paralelo a la dirección de propagación de la onda y otro perpendicular a esa misma dirección el cual indica la dirección del campo eléctrico.

8. Polarización de las Ondas ElectRomagnéticas • Una onda plana uniforme viajando en la dirección Z tendrá vectores E y H en el plano X - Y • La polarización de una onda plana uniforme se refiere al comportamiento en la variación en el tiempo de la intensidad del vector campo eléctrico en algún punto fijo en el espacio.

9. Polarización de las Ondas ElectRomagnéticas • Sí ambas componentes (Ex y Ey) están presentes, el campo eléctrico resultante tendrá una dirección y magnitud dependiente de la magnitud y fase relativa de Ex y Ey.

10. Polarización de las Ondas ElectRomagnéticas Polarización Lineal • La polarización lineal se produce cuando ambas componentes están en fase (cuando ambas componentes del campo eléctrico alcanzan sus máximos y mínimos simultáneamente) o en contrafase (cuando cada una de las componentes alcanza sus máximos a la vez que la otra alcanza sus mínimos). • La relación entre las amplitudes de ambas componentes determina la dirección de la oscilación, que es la dirección de la polarización lineal (Vertical / Horizontal) LINEAL

11. Polarización de las Ondas ElectRomagnéticas Polarización Lineal • Para Ey=0 y Ex0 Polarización Horizontal. • Para Ex=0 y Ey0 Polarización Vertical.

12. Polarización de las Ondas ElectRomagnéticas Polarización Circular • En la polarización circular Las dos componentes ortogonales tienen la misma amplitud y están desfasadas 90° (una componente se anula cuando la otra componente alcanza su amplitud máxima o mínima). • La componente X puede estar 90° adelantada o retrasada respecto a la componente Y, lo que determina el sentido de giro del campo eléctrico (horario o antihorario). La trayectoria trazada en el plano por la punta del vector de campo eléctrico tiene la forma de una circunferencia. CIRCULAR

13. Polarización de las Ondas ElectRomagnéticas Polarización Circular • Giro en Sentido Horario • Giro en Sentido Anti-Horario

14. Polarización de las Ondas ElectRomagnéticas Polarización Elíptica • La polarización elíptica corresponde a cualquier otro caso diferente a los anteriores, es decir, las dos componentes tienen distintas amplitudes y el ángulo de desfase entre ellas es diferente a 0° y a 180° (no están en fase ni en contrafase) ELÍPTICA

15. Polarización de las Ondas ElectRomagnéticas Polarización Elíptica • Ambas componentes están presentes

16. Bandas de frecuencias para operación de sistemas KHz MHz GHz THz

17. Frecuencias utilizadas en enlaces radioeléctricos • UHF (Frecuencia Ultra Alta) • De 300 MHz a 3 GHz. • Propagación Troposférica. • SHF (Frecuencia Súper Alta) • De 3 GHz a 30 GHz. • Banda Centimétrica (1 ≤  ≤ 10 cm). • EHF (Frecuencia Extremadamente Alta) • De 30 a 300 GHz. • Banda Milimétrica (1 ≤  ≤ 10 mm). • Radioastronomía.

18. Frecuencias utilizadas en enlaces radioeléctricos • El espectro radioeléctrico o de ondas de radio comprende desde los 3 kHz de frecuencia (100.000 m -100 Km), hasta los 30 GHz de frecuencia (0,001 m -1 mm).

19. CARACTERÍSTICAS DE LA TRANSMISIÓN EN LA BANDA DE MICROONDAS • Características más relevantes: • Haces muy directivos • Se requiere muy poca potencia de Tx • Gran ancho de banda • Las antenas utilizadas son parabólicas • Se afectan mucho por la atmósfera

20. Medios de Transmisión En los sistemas de trasmisión de datos, el medio de transmisión es el camino físico entre el transmisor y el receptor. Las ondas electromagnéticas se confinan en un medio sólido, como por ejemplo, el par trenzado de cobre, el cable de cobre coaxial o la fibra óptica. La atmósfera o el espacio exterior son ejemplos de medios no guiados, que proporcionan un medio de transmisión de las señales pero sin confinarlas; esto se denomina transmisión inalámbrica. Las características y calidad de la transmisión están determinadas tanto por el tipo de señal, como por las características del medio

21. Medios de Transmisión Factores que determinan el alcance y la velocidad • Atenuación: • Limita la distancia de transmisión. • En los medios guiados, el par trenzado sufre mayor atenuación que el cable coaxial, que a su vez, es más vulnerable que la fibra óptica. • Interferencias: • Presencia de señales en bandas de frecuencias próximas pueden distorsionar o destruir completamente la señal. • Afectan mayormente en lo medios de transmisión no guiados. • Ancho de Banda: • El aumento el ancho de banda de la señal permite el incremento de la velocidad de transmisión.

22. Medios de Transmisión Principio de Huygens • Es un método de análisis aplicado a los problemas de propagación de ondas. • Afirma que todo punto de un frente de onda inicial puede considerarse como una fuente de ondas esféricas secundarias que se extienden en todas las direcciones con la misma velocidad, frecuencia y longitud de onda que el frente de onda del que proceden.

23. Medios de Transmisión Principio de Huygens • La superposición de las ondas esféricas producidas por los focos secundarios conforman un nuevo frente de onda. • El nuevo frente de onda es la superficie que contiene a nuevos focos secundarios y así sucesivamente. • Un frente de onda no perturbado viaja como una sola pieza.

24. Medios de Transmisión Principio de Huygens • Frente de Onda: • Superficie de onda que se encuentra más alejada del punto de inicio de la vibración, que se forma en cada instante que la onda alcanza puntos de idéntica fase. • Es una superficie compuesta por todos los puntos del medio que son alcanzados por el movimiento ondulatorio al mismo tiempo. Todos los puntos de un frente de onda se desplazan en fase. Las ondas de radio están sometidas a una serie de efectos: absorción, reflexión, difracción, refracción e interferencia.

25. Medios de Transmisión Absorción • Las ondas de radio transfieren energía al medio cuando viajan. Ciertos materiales absorben la radiación y la transforman en calor o energía eléctrica. • Se utiliza el coeficiente de absorción (en dB/m) para describir el impacto del medio en la radiación, que se traduce en una atenuación de la energía de la onda. De absorción intermedia son las rocas, ladrillos y concreto, al igual que la madera y los árboles, dependiendo de su concentración de agua. De fuerte absorción son los metales y en el rango de microondas, el agua en todas sus formas(lluvia, neblina y la contenida en el cuerpo humano).

26. Reflexión Medios de Transmisión Reflexión • La reflexión electromagnética ocurre cuando una onda incidente choca con una barrera de dos medios y algo o todo de la potencia incidente no entra al segundo material. Las ondas que no penetran al segundo medio se reflejan. • La reflexión invierte la polaridad de la onda incidente, equivalente a un desplazamiento de 180° o al cambio de dirección del campo E del frente de onda.

27. Medios de Transmisión Reflexión • La reflexión varía de acuerdo con la superficie: • La Reflexión especular se produce sobre superficies lisas • La reflexión Difusa se produce sobre superficies irregulares ó ásperas DISPERSIÓN

28. Medios de Transmisión Reflexión • Las superficies que se encuentran entre superficies lisas e irregulares (semi-ásperas) producen una mezcla de reflexión difusa y especular.

29. Medios de Transmisión Reflexión • Criterio de Rayleigh: Una superficie semi-áspera produce reflexión especular, cuando se cumple que: des la profundidad de la irregularidad de la superficie. es la longitud de la onda incidente

30. Medios de Transmisión Reflexión • Debido a que las ondas reflejadas permanecen en el medio 1, la velocidad no varía. • El ángulo de reflexión es igual al ángulo de incidencia (i = r). • La intensidad del campo de voltaje reflejado es menor que la intensidad del campo de voltaje incidente. • La relación de las intensidades de voltaje reflejado a incidente se llama coeficiente de reflexión ()

31. Medios de Transmisión Reflexión • Expresión matemática del Coeficiente de Reflexión: • Donde: • : coeficiente de reflexión (sin unidades) • Ei= Intensidad del voltaje incidente (volts) • Er= Intensidad del voltaje reflejado (volts) • i = Fase incidente (grados) • r = Fase reflejada (grados)

32. Reflexión Medios de Transmisión Reflexión • La reflexión de ondas ocurre en metales, en agua y en tierra. El principio básico es que la onda se refleja con el mismo ángulo con el que impacta la superficie.

33. Medios de Transmisión Reflectores de Antenas • En el diseño de antenas son útiles las superficies reflectoras, como el reflector plano y el parabólico. • La onda radiada o recibida se apunta al reflector, el cual la enfoca en un haz angosto y la refleja hacia su destino.

34. Medios de Transmisión Refracción Refracción • Es la desviación que sufre un frente de onda cuando pasa de un medio a otro de diferente densidad, cambiando de velocidad y de dirección. n = índice de refracción (sin unidades) c= velocidad de la luz 3 x 108 m/s) v= velocidad de la luz en un material dado (m/s) n1es un medio con una velocidad de propagación mayor que en n2

35. Medios de Transmisión Refracción Refracción • Ley de Snell n1 = índice de refracción del material 1 n2 = índice de refracción del material 2 1 = ángulo de incidencia (grados) 2 = ángulo de refracción (grados) r1= constante dieléctrica del medio 1 r2= constante dieléctrica del medio 2

36. Medios de Transmisión Refracción Refracción

37. Medios de Transmisión Refracción Refracción • Cuando el medio de transmisión presenta gradientes del índice de refracción (atmósfera):

38. Medios de Transmisión Difracción • Se define como la redistribución de energía, dentro de un frente de onda, cuando pasa cerca del extremo de un “objeto opaco”. • La difracción es el fenómeno que permite que las ondas de luz o de radio se propaguen alrededor de las aristas.

39. Medios de Transmisión Difracción • Huygens: cada punto de un frente de onda esférica se puede considerar como una fuente secundaria de puntos de ondas electromagnéticas, desde donde se irradian hacia afuera otras ondas secundarias (ondas pequeñas).

40. Medios de Transmisión Refracción Difracción • Si la onda de radio encuentra un obstáculo en su trayectoria las fuentes puntuales del frente de onda, en las orillas del obstáculo, desarrollan ondas esféricas adicionales (Principio de Huygens) que rellenan la zona de sombra. Por esta razón una estación AM que opera a 1000 kHz ( = 300 m) se oye fácilmente aún cuando hayan considerables obstáculos en su trayecto. Mientras que con redes WLAN ( = 12 m) se requiere línea de vista entre transmisor y receptor.

41. Medios de Transmisión Interferencia • Ocurre cuando dos o más ondas electromagnéticas se combinan de tal forma que el funcionamiento del sistema se degrada. • La interferencia se sujeta al principio de superposición lineal de ondas electromagnéticas y ocurre cada vez que dos o más ondas ocupan, simultáneamente, el mismo punto en el espacio.

42. Medios de Transmisión Interferencia • El principio de superposición lineal indica que la intensidad total de voltaje, en un punto determinado en el espacio, es la suma de los vectores de ondas individuales. Suma lineal de dos vectores con diferentes ángulos de fase.

43. Medios de Transmisión Refracción Interferencia Interferencia • Dos ondas con una misma frecuencia pueden amplificarse o anularse entre sí, dependiendo de la relación de fase (posición relativa de las ondas) entre ellas. • Para que esto ocurra en su forma más pura (máxima amplificación o anulación completa), las ondas deben tener exactamente la misma  y energía y una relación de fase específica y constante.

44. Medios de Transmisión Modos de Propagación de Ondas Electromagnéticas • Las propiedades de la Tierra y de las distintas capas de la atmósfera afectan el comportamiento de las ondas de radio, en mayor o menor grado dependiendo de la frecuencia de la onda. • Las trayectorias básicas de propagación que una señal puede tomar a través del espacio libre, son:

45. Medios de Transmisión Propagación por Onda de Superficie • La onda de superficie o terrestre es una onda polarizada de manera vertical que sigue la superficie de la Tierra y por tanto, sigue su curvatura para propagarse más allá del horizonte. Aplicación.- La banda de radiodifusión AM estándar (530 a 1.700 kHz) se basa principalmente en la propagación de onda de superficie que es de largo alcance y gran estabilidad, aunque le afecta mucho el tipo de terreno.

46. Medios de Transmisión Propagación Ionosférica • La onda se refleja en las capas ionizadas de la atmosfera; allí las moléculas de aire se ionizan por la radiación solar. Estas capas están entre 60 y 400 km de altura. • Propagación en la noche: • En la noche, desaparecen las capas D y E y la capa F está débilmente ionizada. • Las ondas de frecuencias f < 10 MHz son reflejadas a Tierra por las capas F, por lo que, a estas frecuencias, es posible la comunicación. • Las ondas de frecuencias entre 10 MHz <f < 30 MHz atraviesan todas las capas y no retornan a Tierra. • Propagación en el día: • En el día las capas están fuertemente ionizadas. • Las ondas de frecuencias f < 10 MHz son absorbidas por las capas D y E. • Las ondas de frecuencias entre 10 MHz <f < 30 MHz, son reflejadas a Tierra por las capas F1 y F2.

47. Medios de Transmisión Propagación Ionosférica Saltos de frecuencias en propagación ionosférica Para señales fuertes es posible hasta 20 saltos. La máxima distancia de un salto es 3.200 Km (Es posible rodear la Tierra). Aplicación.- Tiene uso amplio en comunicaciones de barcos y aviones, comunicación militar y radioaficionados. Además, por supuesto, existe la radiodifusión de onda corta. Esta propagación tiene gran alcance pero con poca estabilidad.

48. Medios de Transmisión Dispersión Troposférica • Utilizada comercialmente antes de la aparición de los satélites artificiales para enlazar estaciones situadas más allá del alcance óptico y por difracción. Consiste en «iluminar» con equipos de alta potencia y antenas de alta ganancia una zona de la tropósfera «visible» por ambas estaciones.

49. Medios de Transmisión Propagación por Línea de Vista • La onda electromagnética se propaga en radiación directa de la antena transmisora a la receptora a través de la tropósfera. Se la conoce también como propagación por línea de vista y troposférica. En la propagación troposférica por línea de vista, pueden existir reflexiones desde la Tierra, pero es más probable que cause problemas a que incremente la intensidad de la señal. Aplicación.- Radioenlaces, sistemas de microondas terrestre y satelital, telefonía móvil, difusión de televisión terrestre y satelital.

50. Medios de Transmisión Propagación por Onda Espacial • La onda espacial es también la base para la comunicación por satélite. Aplicación.- Una aplicación importante son los radioenlaces de microondas satelitales que se explotan entre 2 a 50 GHz. Se llaman así porque uno de los terminales, transmisor o receptor, está en un satélite.