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TEMA 1. INTRODUCCIÓN A LAS RADIOCOMUNICACIONES
En este primer capítulo se van a presentar algunos conceptos y aspectos generales de radiocomunicaciones. Lo que se pretende es realizar una breve introducción desde un punto de vista genérico antes de empezar con aspectos meramente técnicos. Estos aspectos más generales son también de importancia en la formación de un ingeniero de Telecomunicación, motivo por el cual se ha creído conveniente tratarlos en este tema.
1.1. DEFINICIONES
Antes de entrar en materia es conveniente presentar algunas definiciones relacionadas con las radiocomunicaciones. Así en el Cuadro Nacional de Atribución de Frecuencia (CNAF) , se adoptan entre otras las siguientes definiciones:
Telecomunicación : Toda transmisión, emisión o recepción de signos, señales, escritos, imágenes, sonidos o informaciones de cualquier naturaleza por hilo, radioelectricidad, medios ópticos u otros sistemas electromagnéticos.
Ondas radioeléctricas u ondas hertzianas : ondas electromagnéticas, cuya frecuencia se fija convencionalmente por debajo de 3000 GHz, que se propagan por el espacio sin guía artificial.
Radiocomunicación : Toda telecomunicación transmitida por medio de ondas radioeléctricas.
Dominio público radioeléctrico : es el espacio por el que pueden propagarse las ondas radioeléctricas. Este dominio radioeléctrico es gestionado por las Administraciones de cada país y es limitado.
1.2. REGULACIÓN DE LAS RADIOCOMUNICACIONES
1.2.1. Organismos
En el ámbito de las telecomunicaciones en general es necesaria la existencia de Organismos de Regulación y Normalización dada la limitación que supone la aparición de tecnologías similares pero no siempre compatibles en los distintos países. La particularidad más destacada de las telecomunicaciones es, como su etimología indica, la de permitir establecer enlaces a distancia, la cual puede variar desde los pocos metros hasta las distancia intercontinentales. Las Administraciones de cada país, responsables del desarrollo correcto de las telecomunicaciones, dictan normas que deben cumplir los equipos de telecomunicación, concediéndose las respectivas homologaciones cuando éstas se cumplen. A su vez, se constituyen organismos Internacionales que regulan con el fin de que sean posibles las comunicaciones a escala mundial.
El vertiginoso desarrollo e implantación de redes, servicios y aplicaciones ha hecho aumentar la necesidad de coordinación y reglamentación a nivel internacional. Se distinguen tanto a nivel nacional como internacional, dos tipos de organismos; los Organismos Reguladores y los Organismos de Normalización, si bien en determinadas ocasiones un mismo organismo puede tener las dos funciones. La diferencia fundamental, está en que los primeros establecen o publican recomendaciones , mientras que los segundos dan lugar a normas o estándares. Un estándar , es un documento establecido por consenso y aprobado por todos los cuerpos reconocidos de una organización. Los estándares proporcionan las reglas para un uso regular y común de un recurso y permiten el grado óptimo de orden en un contexto establecido. Por otra parte, una recomendación es toda aquella determinación que no llegando a la categoría de norma, un organismo presenta a todos sus miembros, comprometiéndose éstos a seguirla. No obstante cabe la posibilidad de que un estado, bajo su responsabilidad, obre de manera diferente a lo que un organismo dicte mediante una recomendación. Los estándares promueven el orden y facilitan la coordinación, pero también favorecen a aquellos productos que se ajustan a la norma incrementando su éxito en el mercado. También alimentan la competencia entre fabricantes, redundando en un menor coste, de lo cual se benefician los usuarios.
Desde el punto de vista de su creación, existen dos clases de normas. Con el paso del tiempo, por la inercia natural de los mercados, la falta de competencia o la coincidencia entre diferentes proveedores, etc. se han ido desarrollando una serie de normas de facto. Son normas aceptadas por todos y que no han precisado de un proceso de acuerdo previo. Por otro lado, se encuentran los estándares, que son normas adoptadas por algún organismo de estandarización autorizado tras un proceso de estudio y de un cierto grado de consenso entre los proveedores.
El origen de estos organismos de regulación se remonta a 1865, cuando representantes de muchos gobiernos europeos se reunieron para formar el predecesor de la actual ITU (International Telecommunication Union) con sede en Ginebra (Suiza). Su misión era la estandarización de las telecomunicaciones internacionales debido a la aparición de la telegrafía, la cual presentaba un primer problema a resolver que era ¿qué pasaría si la mitad de los países utilizase el código Morse para realizar sus comunicaciones y la otra mitad utilizara otro código diferente?
La ITU es una organización dependiente de la ONU (Organización de las Naciones Unidas) y está formada por tres Sectores principales:
· ITU-R. Es el Sector de Radiocomunicaciones.
· ITU-T. Es el Sector para la Estandarización de las Telecomunicaciones.
· ITU-D. Es el Sector de Desarrollo.
La ITU-T tiene tres grupos principales de miembros:
· Las Administraciones de los países. Son Miembros con voz y voto.
· Operadores privados, organizaciones comerciales y científicas de telecomunicaciones y otras organizaciones interesadas (redes bancarias, aerolíneas, etc.). Son miembros con voz, pero no voto. · Organizaciones regionales de telecomunicaciones (ETSI europea, etc.) Los estándares internacionales son producidos por la ISO (International Standards Organization) , una organización voluntaria, no surgida de un tratado, fundada en 1946. Sus
Desde el punto de vista de la atribución de bandas de frecuencias, se ha dividido el mundo en tres Regiones tal y como refleja el mapa de la figura 1.1.
Figura 1.1. División del mundo en tres Regiones por parte del ITU.
La necesidad de los sistemas radioeléctricos de utilizar frecuencias del espectro radioeléctrico hace que la asignación de estas no sea un proceso trivial ni aleatorio. El espectro radioeléctrico es un bien público lo que hace que sea gestionado por las administraciones, pero además es un recurso limitado. Si a esta limitación añadimos la creciente demanda de servicios de radiocomunicación de todo tipo (fijos, móviles, satélite), nos encontramos ante una situación donde la asignación de frecuencias va a ser un proceso complejo que requerirá ser cuidadoso en el mismo.
Todo esto obliga a establecer un cierto orden y control del espectro radioeléctrico no sólo a nivel nacional sino mundial. El organismo competente en esta materia es el ya visto ITU, que establece las normas de uso del espectro radioeléctrico. Dichas normas se definen en las Conferencias Administrativas Mundiales de Radiocomunicaciones (CAMR, en inglés WRC: World Radiocommunication Conferences) y, a nivel nacional, se recogen en el CNAF (Cuadro Nacional de Atribución de Frecuencias).
A nivel administrativo en España, todo lo referente a la regulación del espectro radioeléctrico depende del Ministerio de Ciencia y Tecnología. Según lo dispuesto por el Real Decreto 1451/2000, de 28 de julio, por el que se desarrolla la estructura orgánica básica del Ministerio de Ciencia y Tecnología, la Secretaría de Estado de Telecomunicaciones y para la Sociedad de la Información consta de los siguientes órganos directivos:
Figura 1.2. Organigrama de la Secretaría de Estado de Telecomunicaciones.
En el organigrama presentado puede observarse como hay una Secretaría General de Planificación y Gestión del Espectro Radioeléctrico. El objetivo final de la gestión de las radiocomunicaciones es optimizar el uso del espectro, de modo que se dé servicio al mayor número de usuarios posible con el mínimo de perturbaciones.
De entre la gran cantidad de acrónimos existentes, relativos a instituciones, podemos destacar los siguientes:
En inglés:
A.N.S.I. A merican N ational S tandards I nstitute C.C.I.R. I nternational R adio C onsultative C ommittee (1927). Obsoleto. C.C.I.T. I nternational T elegraph & T elephone C onsultative C ommittee. Obsoleto. C.E.P.T. C onference E uropeenne des P ostes et T élécommunications E.T.S.I. E uropean T elecommunications S tandard I nstitute F.C.C. F ederal C ommunications C ommision I.F.R.B. I nternational F requency R egistration B oard (1947). Obsoleto. I.S.O. I nternational S tandards O rganization I.T.U****. I nternational T elecommunication U nion
En español:
C.M.T. C omisión del M ercado de T elecomunicaciones. C.N.A.F. C uadro N acional de A tribución de F recuencias. U.E.R. U nión E uropea de Radiodifusión
Banda
Margen de Frecuencias (f)
Margen de Longitudes de onda (λ)
Denominación métrica ELF < 3 KHz VLF 3 - 30 KHz 10 5 - 10 4 m Miriamétricas LF 30 - 300 KHz 10 4 - 10 3 m Kilométricas MF 300 - 3000 KHz 10 3 - 10 2 m Hectométricas HF 3 - 30 MHz 10 2 - 10 m Decamétricas VHF 30 - 300 MHz 10 - 1 m Métricas UHF 300 - 3000 MHz 1 - 10 -1^ m Decimétricas SHF 3 - 30 GHz 10 -1^ – 10 -2^ m Centimétricas EHF 30 - 300 GHz 10 -2^ – 10 -3^ m Milimétricas B. óptica 300 - 3000 GHz 10 -3^ – 10 -4^ m Decimilimétricas
Tabla 1.2. Bandas de frecuencia.
Otras posibles nomenclaturas son las específicas de determinados servicios como son radiodifusión y radiolocalización.
Radiodifusión: Radar:
Banda Frecuencias Banda I 41 - 68 MHz Banda II 87,5 - 108 MHz Banda III 162 - 230 MHz Banda IV 470 - 582 MHz Banda V 582 - 960 MHz Banda VI 12 GHz
Tabla 1.3. Bandas de radiodifusión.
Banda Frecuencias L 1 - 2 GHz S 2 - 4 GHz C 4 - 8 GHz X 8 - 12 GHz Ku 12 - 18 GHz K 18 - 27 GHz Ks 27 - 40 GHz mm 40 - 300 GHz
Tabla 1.4. Bandas de radiolocalización.
En España, la distribución del espectro radioeléctrico entre los diferentes servicios queda contemplada en el Cuadro Nacional de Atribución de Frecuencias ( CNAF ), el cual puede consultarse en la dirección de internet: http://www.sgc.mfom.es/espectro/cnaf.htm.
1.4. TIPOS DE RADIOCOMUNICACIONES
Se puede realizar una división básica en dos tipos:
- Terrenal. Radiocomunicación con elementos situados en la tierra exclusivamente. Pueden ser a su vez de dos tipos: - Punto a Punto : el enlace se establece entre dos puntos fijos.
a) b) Figura 1.4. Radioenlaces terrenales punto a punto.
- Punto a Zona : enlace entre un punto fijo (transmisor) y una zona donde los terminales pueden ser fijos (ej: radiodifusión) o móviles (comunicaciones móviles).
Zona de cobertura
Figura 1.5. Radioenlaces terrenales punto a zona.
- Espacial. Radiocomunicación con elementos en el espacio. El satélite difunde la información procedente de una estación terrena a una zona determinada de la tierra, por lo que el enlace ascendente es punto a punto y el descendente punto a zona.
1.6. MODOS DE EXPLOTACIÓN
- Símplex : permite transmitir en uno u otro sentido no simultáneamente.
Tx Tx Rx Rx
f 1
f 1
PTT: Push To Talk
Tx Tx Rx Rx
f 1
f 2
PTT: Push To Talk
- Semidúplex : símplex en un punto del enlace y dúplex en el otro.
Tx Tx Rx Rx
f 1
D f^2 P X
DPX (Duplexor) : dispositivo que permite la utilización de la misma antena para recibir y transmitir simultáneamente.
- Dúplex : permite la transmisión simultánea en los dos sentidos.
f (^1)
f (^2) Tx Rx
D P X
Tx Rx
D P X
1.7. FUNDAMENTOS DE RADIACIÓN
En este primer apartado vamos a hacer un recordatorio de algunos conceptos, ya conocidos por el alumno, referentes a radiación de antenas.
Si suponemos espacio libre y onda plana, la expresión del campo eléctrico radiado por una antena puede expresarse como:
E( r,t) = Re{E(r)ejwt } (1.1)
También es sabido que el medio de propagación tiene una constante característica,
denominada impedancia característica del medio ( η) y que sale de la relación entre los
módulos de los campos eléctrico y magnético. Para el vacío:
η = = 120 π ( Ω ) H
E (1.2)
Por otro lado la densidad de potencia radiada ( S ) se expresa como:
( /^2 )
(^22) ef
2 ef W m 2
E 120
E E S η
= π
= η
Como es bien sabido las antenas tienen asociado un diagrama de radiación, el cual representa gráficamente las características de radiación de la antena en función de las diferentes direcciones espaciales. Se dice que una antena es ideal o isótropa si radia por igual en todas las direcciones del espacio. Se dice que una antena es omnidireccional si el diagrama de radiación presenta simetría de revolución en torno a un eje. La densidad de potencia radiada para una antena isótropa es:
iso r 2 (^ W / m^2^ ) 4 d
P S π
Otro concepto asociado a las antenas es el de directividad (D) y se define como la relación entre la densidad de potencia radiada en una dirección y la densidad de potencia que radiaría en esa misma dirección una antena isótropa que radiase la misma potencia.
2
r 4 d
P
S( , ) D( , )
π
θφ θ φ = (1.5)
si no se especifica la dirección angular ( ϕ,φ) se sobreentiende que la directividad hace
referencia a la dirección de máxima radiación:
2
r
max max 4 d
P
S D D
π
Un parámetro ligado a la directividad y que vamos a usar habitualmente a lo largo de la asignatura es la ganancia (G) de la antena. La definición es similar a la de directividad pero
Unidades lineales Unidades logarítmicas
μ V/m dBu (20 log E( μ V/m))
W dBW (10 log P(W)) mW dBm (10 log P(mW)) Tabla 1.5. Conversión de unidades
1.8. PROPAGACIÓN EN ESPACIO LIBRE
Como ya hemos visto, la densidad de potencia por unidad de superficie ( S ) que crea una antena a una distancia d , cuando se emite una potencia PE , PE=Pr , viene dada por la expresión:
2 2 W m 4 d
PIRE
S /
π
Con lo que la expresión de la potencia recibida, PR , nos queda:
R efR 2 Aef R 4 d
PIRE
P S A
π
y Aef,R: área efectiva de la antena de recepción (^) R
2 Aef (^) R 4 π G
λ = (1.17)
con lo que:
EL
T T R 2
T T R R
2 2
T T 2 efR
T T R (^) L
P G G
d 4
P G G
G
4 d^4
P G
A
4 d
P G
P =
λ
π
π
λ π
π
Donde LEL representa las pérdidas básicas de propagación en Espacio Libre (E.L.), definidas como la relación entre la potencia transmitida y la recibida considerando ambas antenas isótropas:
2
Riso
Tiso EL
d 4 P
P
L ⎟
λ
= = π ,
, → L (dB) = 20 log (4 π d / λ ) (1.19)
A la expresión (1.19) hay que añadirle las pérdidas debidas a diferentes elementos de los equipos (guías de onda, etc.) y que genéricamente vamos a representar como Lequipos , quedando la expresión:
(^2) equipos
T T R R (^) L
d 4
P G G
P
λ
π
= con Lequipos ≥ 1 (1.20)
Dicha expresión puede expresarse en modo logarítmico como:
10 log PR = 10 log PT + GT (dB) + GR (dB) - 20 log (4 π d/ λ ) - Lequipos (dB) (1.21)
1.9. BALANCE DE POTENCIAS EN UN ENLACE
El balance de potencias de un enlace es la relación entre la potencia recibida y la potencia transmitida, teniendo en cuenta las pérdidas y ganancias que existan entre transmisor y receptor. Podemos representar de un modo simplificado un enlace mediante el circuito de la figura 1.7.
Tx
Circuito TX Rx
Circuito
G T G R Rx
P T P^ R
LT L
R
Lprop
Figura 1.7. Diagrama de bloques de un enlace
El enlace se compone de una parte transmisora y otra receptora:
Tx: Transmisor Circuito Tx: circuitos como alimentador de antena, multiplexor, pérdidas de antenas, etc. LT : pérdidas asociadas al circuito Tx. GT : ganancia de la antena transmisora en la dirección de máxima radiación. Lprop : pérdidas por propagación en EL. GR: ganancia de la antena receptora en la dirección de máxima radiación. LR: pérdidas asociadas al circuito Rx.
La potencia recibida se puede calcular a partir de la ecuación de transmisión :
(^2) T R
T T R R (^) L L
d 4
P G G
P ⋅
Si se prefiere manejar unidades logarítmicas, la expresión queda como sigue::
eléctrica, etc.) y su espectro disminuye con la frecuencia, por lo que su influencia se restringe hasta aproximadamente 1 GHz.
Para evaluar el nivel de ruido existente en recepción se trabaja con la potencia de ruido normalizada, es decir, tomando la ganancia neta de la red igual a la unidad. Dicha potencia de ruido se calcula a partir de:
PN = K ⋅ Tant ⋅ B + K ⋅ Teq ⋅ B = K ⋅ Tant ⋅ B + K ⋅ To ⋅ ( FR − 1 ) ⋅ B (1.28)
K: constante de Boltzmann (K=1.38 10 -23^ J/ºK) To : temperatura de referencia (T=290ºK) B: ancho de banda de predetección (Hz) FR: factor de ruido del receptor
Si hacemos:
( F 1 ) T
T
F R
0
ant sis =^ + − (1.29)
Fsis : factor de ruido de todo el sistema receptor (incluida la antena)
La potencia de ruido se puede expresar como:
PN = K ⋅ To ⋅ B ⋅ F sis (1.30)
1.11. DIAGRAMA DE NIVELES DE POTENCIA. MARGEN DE FADING
Una vez estudiados el balance de potencias del enlace y al potencia de ruido existe en recepción, podemos presentar un modo de representar gráficamente los niveles de potencia de un enlace, de modo que se facilita la visualización y el manejo de los mismos.
MF
PR,nominal
PR,mínima
PN = K T B Fsis
PT
SNRmin
α EL
MF
PR,nominal
PR,mínima
PN = K T B Fsis
PT
SNRmin
α EL
Figura 1.8. Diagrama de niveles de potencia.
α EL : pérdidas en espacio libre (EL).
MF: Margen de Fading (margen de protección frente a desvanecimientos). PR,min : potencia recibida mínima o sensibilidad del receptor (especificaciones del receptor).
R, min
R,nom P
P
MF = MF ( dB ) = PR ,nom(dBm) − PR,min(dBm) (1.31)
Si la señal recibida cae por debajo de la PR,min se producirá un corte en el enlace, es decir, se encontrará en una situación de indisponibilidad, lo que no es deseable. Por ello el valor de la potencia umbral ( PR,min ) conviene que sea el mínimo posible y que el margen de protección frente a desvanecimientos (MF) sea el máximo posible. Si se desea incrementar el MF de cara a robustecer el sistema frente a desvanecimientos de señal se tendrán diferentes posibilidades entre las que se encuentran:
- Incrementar la ganancia de antenas.
- Disminuir las pérdidas de los circuitos.
- Reducir el factor de ruido (Fsis ) del receptor.
1.12. PLANES DE FRECUENCIA
Los planes de frecuencia vienen fijados por el ITU-R y dan información de las bandas de frecuencias, así como del número de radiocanales dentro de la banda, valores de las portadoras, separación entre los radiocanales, polarización, etc.
f
V
H f^1 f^0
f (^2) f (^3)
f 4 f 5 f 1 ’
f 2 ’ f 3 ’
f 4 ’ f 5 ’
Figura 1.11. Distribución de un plan de frecuencias con polarización alterna.
La estructura de los equipos para adecuarse a los planes vistos es la contemplada en la figura 1.12. Puede verse como una misma antena puede usarse para transmisión y recepción de las dos polarizaciones. La presencia del filtro de polarización permite discriminar dichas polarizaciones teniendo cada una en un ramal por donde se transmite y recibe.
f (^1) f (^5)
f 1 ’ f 3 ’ f 5 ’
f 2 f 4 f (^6)
f 2 ’ f 4 ’ f 6 ’
FP
V
H
f (^3)
Figura 1.12. Estructura de los equipos transmisores y receptores.
