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curso de radiofrecuencia
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Radio Frecuencia Bsico
(RF / Wireless )Abril 2011
Joel Santiago
Objetivo
2
Conocer los fundamentos de seales de RF.Desarrollar habilidades analticas en la resolucin de fallas.Conocer los fundamentos de la comunicacin celular.Entender la forma de trabajo de las tecnologa celular.
Temario
3
1.- Anlisis de Seales
2.- Fundamentos de RF
3- Mediciones de Potencia
4.- Analizador de Espectro
5.- Analizador de Redes
6.- Mediciones de Figura de ruido
7.- Mediciones de Ruido de Fase
8.- Fundamentos Comunicacin Celular
9.- Prueba de Estaciones Base
10.- Conector Care
Definiciones de Instrumentos
Precisin
Compara un valor de medidaen contra de un valor conocidollamado de referencia.
Resolucin
4
La capacidad del sistema demedicin para detectar yfielmente indicar pequeoscambios en las caractersticasdel resultado de la medicin
Definiciones de Instrumentos
Linealidad
Es el grado en que el diagramade entrada, comparado con larespuesta de la salida, seaproxima a una lnea recta
Estabilidad
5
Capacidad de un instrumentode medicin para retener sucalibracin a travs de unperodo prolongado. Laestabilidad determina laconsistencia de un instrumentoa travs del tiempo.
Caractersticas de la Seal
6
Onda y/o Seal
Definicin:
Es una propagacin de una perturbacin de alguna propiedad de un medio, por ejemplo, densidad, presin, campo elctrico o campo magntico, que se propaga a travs del espacio transportando energa.
Naturaleza Tipos
Mecnica: Son las ondas que necesitan un medio material o la cuerda para transportarse, hay tres tipos de ondas mecnicas: unidimensional bidimensional, tridimensional.
Electromagntica: No necesitan un medio para su movimiento y viaja a travs del espacio, con la velocidad de la luz 299, 792, 458 m/s
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Propagacion de Ondas
Longitudinal: Hacen que las partculas del medio se muevan paralelamente a la direccin de propagacion de la onda.
Transversal: Hacen que las partculas oscilen perpendicularmente a la direccin de la propagacion de la onda
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(http://web.educastur.princast.es/proyectos/fisquiweb/movond/index.htm)
Analisis de Seales
Continas ( Analgica ): es una seal "suave" que est definida para todos los puntos de un intervalo determinado del conjunto de los nmeros reales.
Fn = Asen (c t + ); = 2 f
Discretas ( Digital ): es una seal discontinua que est definida para todos los puntos de un intervalo determinado del conjunto de los nmeros enteros
Fn = Asen (( n/SR ) + ); = 2 f y (n/SR) valores discretos
Se puede representar as
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http://es.wikipedia.org/wiki/Onda_(f%C3%ADsica)
Amplitud
Es la diferencia entre el valor maximo de la
seal y el valor minimo de 1 ciclo
Frecuencia
Es el numero de ciclos que se repite una seal en un segundo
Caracteristicas de Seales AC
12
Fundamentos de Seales AC( Freq )
13
299.792.458 m/s = 3 X 108 m/s
Donde puedo visualizar las seales?
Dominio del tiempo:
En el Osciloscopio, la pantalla despliega la representacin de una amplitud contra el tiempo de la seal de entrada. Forma de onda muestra la apariencia y magnitud instantnea de la seal con respecto al tiempo pero no necesariamente indica su contenido en frecuencia.
Dominio de la Frecuencia:
En el analizador de espectros es un instrumento de dominio de la frecuencia, muestra una grfica de la amplitud contra la frecuencia tambin llamado espectro de frecuencias. En el analizador de espectros el eje horizontal representa la frecuencia y el eje vertical la amplitud.
14
Representacin de Seales
15
Armnicos
Definicin:
Distorsiones de las ondas sinusoidales de tensin y/o corriente de los sistemas elctricos, debido al uso de cargas con impedancia no lineal, a materiales ferromagnticos, y en general al uso de equipos que necesiten realizar conmutaciones en su operacin normal.
Causas:
Perdidas de la potencia activa.
Sobretensiones en los condensadores.
Errores de medicin.
Mal funcionamiento de circuitos de proteccin.
Daos en los aislamientos.
Disminucin de la vida til de los equipos
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1n
n0n0 )tn(senCC)t(f
ImparesPares
Armonicos Tiempo
17
Armnicos Frecuencia
18http://ww2.unime.it/weblab/ita/waveforms/waveforms_ita.htm
Fundamentos de RF
19
Sistema de Comunicaciones
20
Simplex: Una sola direccion
Half-Duplex: Ambas direciones pero no al mismo tiempo.
Full-Duplex: Al mismo tiempo en ambas direcciones
Full-Full-Duplex: TX-RX entre dos o mas estaciones
Modos de Transmisin
Factores de Escala
22
Espectro Electromagntico
23
Espectro Distribuido en Bandas
24
Bandas ISMISM = Industrial, Scientific and Medical
25
Canales y Frecuencias GSM
Band Channel NumberTransmit Frequency
(MHz)
Receive Frequency
(MHz)
850
128 824.2 869.2
190 836.6 881.6
251 848.8 893.8
900
975 880.2 925.2
38 897.6 942.6
124 914.8 959.8
1800
512 1710.2 1805.2
699 1747.6 1842.6
885 1784.8 1879.8
1900
551 1858 1938
661 1880 1960
810 1909.8 1989.8
Canales y Frecuencias de WCDMA
Band Channel Number (DL)Transmit Frequency
(MHz)
Receive Frequency
(MHz)
1
10562 1922.4 2112.4
10700 1950 2140
10838 1977.6 2167.6
2
9662 1852.4 1932.4
9800 1880 1960
9938 1907.6 9938
5
4357 826.4 871.4
4408 836.6 881.6
4458 846.6 891.6
6
4387 832.4 877.4
4400 835 880
4413 837.6 882.6
Canales y Frecuencias de CDMA
Band Channel NumberTransmit Frequency
(MHz)
Receive Frequency
(MHz)
800MHz
367 836.01 881.01
799 848.97 893.97
991 824.04 869.04
1900MHz
0 1850 1930
600 1880 1960
1199 1909.95 1989.95
Unidades de Medicin
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Unidades Lineales y Logartmicas
Unidades Lineales
Una escala con iguales divisiones para iguales valores
Unidades Logartmicas
Las escalas logartmicas se definen en funcin de las potencias de la cantidad subyacente (base), o se tiene que estar de acuerdo en medir la cantidad en unidades fijas.
Razon de usar magnitudes logaritmicas:
La respuesta del odo humano a la intensidad sonora es de tipologartmico.
En comunicaciones se manejan magnitudes de voltaje, corriente y potencia en rangos muy amplios
30
Decibel
Unidad relativa empleada en acstica para expresar unarelacin entre 2 magnitudes ( potencia, voltaje, corriente ).
Son muy usados debido a que son fcilmente sumados orestados.
1 Bell = 10 dB, aumento de potencia de 10 veces
2 bell = 20 dB, aumento de potencia de 100 veces
3 bell = 30dB, aumento de potencia de 1000 veces
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10 tiene 1 cero = (por lo tanto)..... Log 10 = 1
100 tiene 2 ceros = (por lo tanto)..... Log 100 = 2
10000 tiene 4 ceros = (por lo tanto)..... Log 10000= 4
DEFINICIN # 1
El logaritmo de un nmero n en base a se define como el nmero al que hay que elevar a para obtener el nmero n.
loga n = x ax = n
El logaritmo es, por tanto, la operacin inversa a la potencia,
igual que la divisin es la operacin inversa de la multiplicacin
OTRAS PROPIEDADES
Los logaritmos tienen la propiedad de convertir las multiplicaciones ensumas, las divisiones en restas, las potencias en multiplicaciones y laraces en divisiones.
Porqu utilizar este sistema?
La razn es muy simple, cuando hay
sistemas con ganancias y/o perdidas
(ganancias negativas), es mucho ms fcil
que stas se sumen y/o resten y as
obtener la ganancia final.
Variantes del Decibel
dBm
Se refiere a decibeles relativos a 1mW ( disipados ) en una resistencia de 50 ohms.
dBmV es la denominacin cuando la referencia es 1 miliVolt .
dBSDT es una denominacin encontrada a veces en lugar de dBV.
dBi = relacin para ganancia de antenas referidas a la ganancia sobre nivel antena isotrpica.
dBd = relacin para ganancia de antenas referidas a la ganancia sobre nivel antena dipolo de media onda.
dBc = encontrado en analizadores de espectro para indicar relacin de potencia de alguna perturbacin (ruido) con respecto a la portadora.
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Sound Preasure LevelNiveles de Presion del Sonido
Es la medida en las variaciones de la onda de presin acstica que encontramos en la atmsfera (dB-SPL).
Podemos percibir de 0 hasta 120 dB-SPL.
El umbral de audicin est en el 0 dB, y el umbral de dolor alrededor de los 120 dB.
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Comparacin Watts Vs. dBs
Antenna
Receiver
Antenna
Trans.
Line
Transmitter
Trans.
Line
20 Watts TX output
x 0.50 line efficiency= 10 watts to antenna
x 20 antenna gain= 200 watts ERP
x 0.000,000,000,000,000,1585 path attenuation= 0.000,000,000,000,031,7 watts if intercepted by dipoleantenna
x 20 antenna gain= 0.000,000,000,000,634 watts into line
x 0.50 line efficiency= 0.000,000,000,000,317 watts to receiver
+43 dBm TX output
-3 dB line efficiency= +40 dBm to antenna
+13 dB antenna gain= +53 dBm ERP
-158 dB path attenuation= -105 dBm if intercepted by dipole antenna
+13 dB antenna gain= -92 dBm into line
-3 dB line efficiency= -95 dBm to receiver
Decibel con niveles de referencia
Antenna
Receiver
Antenna
Trans.
Line
Transmitter
Trans.
Line
Formula del Decibel
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!!!Siempre y cuando las impedancias sean iguales!!!
Si el resultado de la ecuacin es mayor que la unidad el sistema tiene GANANCIA
Si el resultado de la ecuacin menor que la unidad el sistema tiene una PERDIDA
Decibeles con Impedancias
Impedancias iguales Impedancias Diferentes
40
Decibel Positivos y Negativos
Positivos P>1 ( GANANCIA )
Si la Potencia es G =2
El valor en dB = 3.01 dB
Si Potencia =4
El valor en dB = 6.02 dB
Si Potencia =8
El valor en dB = 9.03 dB
Si Potencia =16
El valor en dB = 12.04 dB
Negativos P
Formulas Decibel Variantes
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Conversion dB a Unidades Lineales
Potencia Voltajes
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Relacin Potencia Vs. dB
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Decibel ExamplesNumber N dB1,000,000,000 +90100,000,000 +8010,000,000 +701,000,000 +60100,000 +5010,000 +401,000 +30100 +2010 +104 +62 +31 00.5 -30.25 -60.1 -100.01 -200.001 -300.0001 -400.00001 -500.000001 -600.0000001 -700.00000001 -800.000000001 -90
Redes de Circuitos - Lineales
En magnitudes lineales, la ganancia total de un sistema en cascada es igual al producto de las ganancias de cada uno de los bloques.
La ganancia total se calcula de la siguiente forma: G = G1 X G2 X ... X Gn
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Redes de Circuitos - Decibeles
En el caso de una conexin en serie (cascada) de circuitos de dos puertos,
se puede calcular fcilmente la ganancia total (o la atenuacin total)
sumando los valores en decibelios.
La ganancia total se calcula de la siguiente forma: a = a + a + ... + an
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Decibel - ejemplos
Hallar la ganancia total del sistema
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G1 = 10 log A1 = +30 dB
G2 = 10 log P = -10 dB
G3 = 10 log A2 = +40 dB
Gt = G1 + G2 + G3 = +30 dB -10 dB + 40 dB = +60 dB
En lugar de emplear 1.000.000 veces el numero +60dB lo hace ms fcilmente
manejable
Ejercicio:
Dos bloques amplificadores se encuentran conectados en
cascada. Calcular:
* La ganancia total magnitud lineal y logartmica
(dB)
* Calcular el voltaje Vo
Ejemplos
El sistema de la figura 2.2 est formado por dos amplificadores de 20 y 15 dB de ganancia respectivamente, conectados mediante una lnea de 12 km de longitud, cuya atenuacin es de 2 dB/km. Calcular la potencia entregada a la salida , si la potencia de entrada es de 4 dBm. Calcular tambin el voltaje entregado a la carga si sta es una resistencia pura de 150 .
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Ejemplos
Si tienes una seal que sufrio una amplificacin de 390 veces su seal de entrada, escribe entre que valores de decibel es posible que se amplifico.
Un dispositivo que aumenta su seal en 40dB, cuantas veces amplifico la seal en forma lineal.
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Decibel - ejemplos
La intensidad debida a un nmero de fuentes de sonido independientes es la suma de las intensidades individuales Cuntos decibelios mayor es el nivel de intensidad cuando cuatro nios lloran que cuando llora uno?
Si un preamplificador tiene, en la entrada un 1 V, en la salida hay 10 V.
Determina si es ganancia o perdida:
Resultado de la operacin:
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Decibel ejemplos
Tengo un amplificador cuya ganancia es de 20dB. Si la potencia de la seal
de entrada es 1W, qu potencia en W tendr a la salida del mismo?
Tengo un amplificador cuya ganancia es de 40dB. Si la potencia de la seal
de entrada es 1W, qu potencia en W tendr a la salida del mismo?
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Practica # 9Decibeles ejercicios
Calcular la potencia de salida de un atenuador de 3 dB como porcentaje de la tensin de entrada.
Calcular la potencia de salida de un atenuador de 6 dB como porcentaje de la tensin de entrada.
Calcular la potencia de salida de un amplificador de 20 dB como porcentaje de la tensin de entrada.
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Practica # 10Decibeles ejercicios
Al transmitir una seal a travs de un cable sufre una atenuacin de 10dB. Si necesito recibir en un extremo 2W de potencia, Cuntos dBm deber tener la seal que se enve en el otro extremo?
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dBm
Unidad de medida utilizada, principalmente, en telecomunicacin para expresar la potencia absoluta mediante una relacin logartmica.
Se define como el nivel de potencia en decibelios en relacin a un nivel de referencia de 1 mW
55http://www.aubraux.com/design/milli-watts-to-dbm-calculator.php
Ejercicios con dBms
Determina los dBms de los siguientes medidas
2 W
1 W
500 mW
100 mW
Un transmisor de microondas tiene una potencia de salida de 600 mW. Cuantos dBms? Respuesta
Sound Preasure LevelNiveles de Presion del Sonido
Es la medida en las variaciones de la onda de presin acstica que encontramos en la atmsfera (dB-SPL).
Podemos percibir de 0 hasta 120 dB-SPL.
El umbral de audicin est en el 0 dB, y el umbral de dolor alrededor de los 120 dB.
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Variantes del Decibel
dBm
Se refiere a decibeles relativos a 1mW ( disipados ) en una resistencia de 50 ohms.
dBmV es la denominacin cuando la referencia es 1 miliVolt .
dBSDT es una denominacin encontrada a veces en lugar de dBV.
dBi = relacin para ganancia de antenas referidas a la ganancia sobre nivel antena isotrpica.
dBd = relacin para ganancia de antenas referidas a la ganancia sobre nivel antena dipolo de media onda.
dBc = encontrado en analizadores de espectro para indicar relacin de potencia de alguna perturbacin (ruido) con respecto a la portadora.
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Que mido en DECIBELES
60
Relacin seal a ruido (S/N)
SINAD
Ruido
Promediado del ruido
Factor de ruido, figura de ruido.
Ruido de fase
Parmetros S
VSWR y coeficiente de reflexin
Intensidad de campo
Ganancia de antena
Factor de cresta
Potencia en canal y potencia en canal adyacente
Calidad de modulacin EVM
Nivel de Presin Sonora
Ruido
Ruido
R. Correlacionado
R. No Correlacionado
Externo
Interno
Atmosfrico
Extraterrestre
Hecho por el Hombre
Trmico
De Disparo
Tiempo de trnsito
Distorsin Armnica
Intermodulacin
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Respuesta en Corriente AlternaComponentes Pasivos
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Formula
Smbolo
Condiciones
CD: Circuito abierto
CA: Corto circuito
dt
dvCi
Formula
Smbolo
Condiciones
CD: Corto circuito
CA: Circuito abierto
dt
diLv
Comportamiento AC en Componentes
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El voltaje se adelanta respecto a la corriente
Comportamiento AC en Componentes
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El voltaje se atrasa respecto a la corriente o la corriente se adelanta respecto al voltaje
Categorizacin Componentes
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Componentes Pasivos: Dispositivos o elementos en los cuales una de las particularidades es que sirven de soporte fsico de los sistemas electrnicos, sin posibilidades normales de amplificacin, es decir aquel que no puede suministrar una potencia promedio que sea mayor que cero.
Duplexor Diplexor Filtros ( pasivos )Acopladores Puentes SpplitersCombinadores Aislantes AtenuadoresAdaptadores LT Guias de ondaCables Dielectricos R, L, C
Componentes Activos: son aquellos que son capaces de excitar los circuitos o de realizar ganancias o control del mismo
Diodos RFIC TX/RX ModulosSintonizadores Convertidores VCOsOsciladores Transistores
Impedancia
Es la oposicin de un elemento al paso de la corriente alterna se puede expresar de diferentes formas.
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Notacion algebraica:
Resistencia Reactancia
Representacin Grfica Impedancia
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Ejemplos Practica
Cul es la reactancia inductiva de un circuito que tiene una inductancia de 0.6H y se le esta aplicando una seal alterna de una frecuencia de 25 Hz? XL = 94.24 = 94.24
Cul es la reactancia capacitiva de un circuito que tiene una capacidad de 0. 1 uF y se le esta aplicando un voltaje alterno con una frecuencia de 60 cps? XC = 26525.83 = 26525.82K K
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Ejemplos
Obten los valores de reactancia Inductiva para un circuito que tiene los siguientes valores. Variando la frecuencia cada 50KHz
Vo = 1 V
R = 10
C = 1 F
L = 1 mF
F = 50 KHz 1 MHz
70
Ejemplos
Obten los valores de reactancia Capacitiva para un circuito que tiene los siguientes valores. Variando la frecuencia cada 50KHz
Vo = 1 V
R = 10
C = 1 F
L = 1 mF
F = 50 KHz 1 MHz
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Impedancia
Formula para calcular la impedancia si el circuito contiene R y C
Formula para calcular la impedancia si el circuito contiene R y L
Formula para calcular la impedancia si el circuito contiene R, L, C
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Impedancia Ejemplos
Determine Z & I del circuito
R= 100 K ; C= 0.022F
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Z=158.68 K / I = 0.547 mA Z=9.49 K / I = 3.70mA
Determine la Z & I del circuito
XL = 3.76 K
XC = 13.26 K
Z = 9.493 K
I = 3.70 mA
R = 15 K
C = 0.01F
L = 500 mH
Reactancia Ejemplos
Una inductancia de 60 mH esta conectado en serie con una resistencia de 90 y una capacitor de 50F y un generador que entrega 60 cps y un voltaje de 30 volts.
Calcular la potencia.
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Carta de Smith
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Representacin Grafica de Impedancia
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https://laboratoriosvirtuales.upv.es/eslabon/Ejercicio?do=Smith_Z
Carta de Smith
Resistencia Reactancia
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Ejercicio Practica
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Identifica los siguientes puntos en la grafica:
Z = 5.0 + j2.0
Z = 5.0 + j0.5
Z = 0.0 + j0.2
Z = 0.0 - j5.0
Z = 0.2 j0.5
Z = 1.0 j0.1
Seala la parte real ________________
Seala la parte capacitiva ____________
Seala la parte inductiva _____________
Representacin Impedancia
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Relacin de Impedancia vs. Coeficiente de Reflexin
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Acoplamiento de Impedancia
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Acoplamiento de Impedancia
Que es acoplar impedancias?
Lograr que la impedancia de salida de la fuente y la impedancia de entrada de la carga sean iguales .
Zcarga = Zlinea =Zfuente
Por que se acopla la impedancia?
Para una mxima transferencia de potencia
Para una tensin mxima en la seal a transmitir
Proporcionar filtrado y selectividad a la seal
82
Efectos No acoplar Impedancias
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Acoplamiento de Impedancia Tipo LMatching Impedance
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La impedancia ZL en paralelo con la reactancia de C debe ser siempre mayor que Zi.
Ejemplos de Configuracin
85
Acoplamiento de Impedancia Tipo
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Acoplamiento de Impedancia Tipo Por transformador
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Ejemplos
Disear una red de impedancia para acoplar una Impedancia de fuente de 15 - j 15 a una Impedancia de Carga de 100 - j50 ohm, con una frecuencia de trabajo de 100 MHz, la red de acople debe adems, actuar como un filtro pasabajo entre la fuente y la carga
88
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