Revisión de Conceptos Básicos de Antenas y …clusterfie.epn.edu.ec/radiomobile/Clase/BreveRevAntenasPropag.pdf · 7 Antenas • Patrones de radiación La figura presenta el patrón

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Revisión de Conceptos Básicos de Antenas y Propagación

Iván Bernal, [email protected]

Quito – Ecuador

Copyright @2008, I. Bernal

AgendaAgenda

• Visión general de antenas

• Algunos tipos de antenas

• Parámetros de las antenas

• Mecanismos de propagación

• Desvanecimiento

Iván Bernal, Ph.D.Iván Bernal, Ph.D.Rev. Rev. Abril 2008Abril 2008 22

2

• W. Stallings, "Wireless Communications and Networks", 2ndEdition, Prentice Hall, 2005, 2002.

• T.S. Rappaport, "Wireless Communications: Principles &

BibliografíaBibliografíaBibliografíaBibliografía

T.S. Rappaport, Wireless Communications: Principles & Practice", First Edition, Prentice Hall, 1995.

• Antti V. Raisanen, Arto Lehto, Radio Engineering for Wireless Communication and Sensor Applications, Artech House, Boston USA, 2003.

ISBN 1-58053-542-9


AntenasAntenasAntenasAntenas• Un conductor o sistema de conductores utilizados para radiar o

recolectar energía electromagnética.Para transmitir una señal, la antena transforma energía eléctrica del transmisor en energía electromagnética, la cual es radiada en el ambiente circundante (atmósfera, g g , ( ,espacio, agua).Para recepción de una señal, la energía electromagnética que llega a la antena se convierte en energía eléctrica y se alimenta al receptor.En comunicaciones de dos vías, la misma antena puede usarse tanto para transmisión como para recepción.

Las antenas son dispositivos recíprocos.L t í ti d t l i t t t iti


Las características de una antena son las mismas tanto para trasmitir como para recibir energía electromagnética.Una antena es igual de eficiente transfiriendo energía del medio circundante hacia los terminales de entrada de su receptor , que transfiriendo energía de los terminales de salida de su transmisor hacia el medio circundante (a la misma frecuencia).

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AntenasAntenasAntenasAntenas




4





5



http://seattlewireless.net/PringlesCantenna

AntenasAntenasAntenasAntenas• Una antena puede radiar energía en todas las direcciones pero no

necesariamente lo hace de manera uniforme en todas las direcciones.

• Patrones de radiación

R t ió áfi d l i d d d di ió d t f ió d lRepresentación gráfica de las propiedades de radiación de una antena como una función de las

coordenadas espaciales.

El patrón de radiación más simple corresponde a la antena isotrópica (ideal).

Es un punto en el espacio que radia potencia de manera uniforme en todas las direcciones.

El patrón de radiación real sería una esfera


El patrón de radiación real sería una esfera (3D), con la antena en el centro de la esfera.

Lo común es representar un corte transversal (2D) del patrón 3D.

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AntenasAntenasAntenasAntenas• Patrones de radiación

La distancia desde la antena a cada punto del patrón de radiación es proporcional a la potencia radiada por la antena en esa dirección.

El tamaño real de un patrón de radiación es arbitrario.Lo importante es la distancia relativa desde la antena en cada dirección.

La distancia relativa determina la potencia relativa.

Para determinar la potencia relativa en una dirección dada, se dibuja una línea desde la posición de la antena (considerando el ángulo apropiado) y el punto de intercepción con el patrón de radiación.

En la figura se comparan dos ángulos de transmisión: A y B


transmisión: A y B.La antena isotrópica produce un patrón de radiación omnidireccional.

Los vectores A y B son de igual longitud.

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La figura presenta el patrón de radiación de otra antena ideal.La antena es direccional.

La dirección de radiación preferida está a lo largo de uno de los ejes.

Comparando las direcciones de transmisión A y B, se nota que el vector B es mas grande que el A, lo que indica que se radiará mas potencia en la dirección de B.

Las longitudes relativas de A y B son proporcionales a la cantidad de potencia radiada en las dos direcciones.



La congestión del espectro radioeléctrico, debido al creciente número de usuarios y aplicaciones, impone requerimientos estrictos para las antenas.

Se ha desarrollado un gran número de estructuras de antenas para diferentesSe ha desarrollado un gran número de estructuras de antenas para diferentes frecuencias y aplicaciones.


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Los patrones de radiación permiten determinar el “ancho del haz de radiación” de una antena, que es una medida de su directividad.

Se conoce también como el ancho del haz de media potencia.p

En transmisión, es el ángulo dentro del cual la potencia radiada por la antena es al menos la mitad de la potencia radiada, en la dirección preferida.

En recepción, la sección mas grande del patrón de radiación indica la mejor dirección para recepción.

La mayor cantidad de potencia radiada en una dirección es a expensas de la radiada en otras direcciones.

E l t d lt i di i l í d f i


En general, antenas de alta ganancia dirigen la energía de forma mas precisa y concentrada.

Antenas de baja ganancia dirigen su energía en un patrón mas amplio, mas ancho.

Se debe llegar a compromisos: si se desea un rango máximo, se debe sacrificar cobertura.

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Tipos de AntenasTipos de AntenasTipos de AntenasTipos de Antenas• A las antenas (reales) se las clasifica generalmente como

direccionales y omnidireccionales. Las antenas deben transferir la potencia de forma eficiente, para lo cual se requiere

li ió d d d l t ( l i ió ) d d l i t duna alineación adecuada de la antena (polarización) y un adecuado acoplamiento de impedancias:

Se debe acoplar adecuadamente la línea de transmisión a la antena, para que ésta transfiera la mayor cantidad de potencia a la antena, evitando que se disipe energía en la línea y conectores o que la misma línea radie la energía.


Tipos de AntenasTipos de AntenasTipos de AntenasTipos de Antenas• Ejemplos de antenas para WLANs


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Tipos de AntenasTipos de AntenasTipos de AntenasTipos de Antenas• Ejemplos de antenas para WLANs (de Cisco)


Tipos de AntenasTipos de AntenasTipos de AntenasTipos de Antenas• Antenas para WLANs de Cisco (Bridges 1400 a 5 GHz)


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Tipos de AntenasTipos de AntenasTipos de AntenasTipos de Antenas• Dipolos

Dipolo de media onda (half-wave dipole)Conocido como antena HERTZ.

Consiste de dos conductores rectos colineales de igual longitud, con un pequeño espacio g g , p q pde separación entre los conductores.

La longitud de la antena es la mitad de la longitud de onda de la señal (½ λ) que pueda transmitirse de forma mas eficiente.

Tiene un patrón de radiación omnidireccional en una dimensión y la forma de un “ 8 ” en las otras dos dimensiones.



Patrón horizontal es omnidireccional


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Tipos de AntenasTipos de AntenasTipos de AntenasTipos de Antenas• Antena vertical de cuarto de onda (quarter-wave vertical antenna)

Conocido como antena MARCONI.

Utilizada frecuentemente para los radios de los automóviles y radios portátiles.


Tipos de AntenasTipos de AntenasTipos de AntenasTipos de Antenas• Antena Reflectiva Parabólica

Se utiliza para aplicaciones de microonda terrestres y satelitales.

Recibe el nombre de parábola el conjunto de puntos (P), tales que su distancia a una recta fija llamada directriz, es igual a su distancia a un punto fijo llamado foco.recta fija llamada directriz, es igual a su distancia a un punto fijo llamado foco.

Es el conjunto de puntos en los que la relación de distancias entre P al foco y P a la directriz es constante, y dicha relación además es igual a uno.

P1F/P1L=P2F/P2L = 1

Es decir que satisfacen la ecuación PF = PL


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Si una parábola gira alrededor de su eje, la superficie generada se denomina un paraboloide.



Si se ubica una fuente de energía electromagnética en el foco de la parábola, y si la superficie del paraboloide es reflectiva, entonces las ondas reflejadas son paralelas al eje de la parábola.

El haz paralelo en realidad presenta dispersión porque el foco no es un solo punto.

Para recepción, las ondas que viene paralelas al eje, al incidir en la superficie del paraboloide, se reflejan y se concentran en el foco.


j y

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La figura presenta un patrón de radiación típico para una antena parabólica.



En la tabla se presentan el ancho de los haces de radiación para antenas parabólicas de diferente diámetro, a una frecuencia de 12 GHz.

Nótese que a mayor diámetro se obtiene mayor direccionalidad.q y y

Diámetro de la antena (m) Ancho del Haz (grados)

0.5 3.5

0.75 2.33

1.0 1.75


1.5 1.166

2.0 0.875

2.5 0.7

5.0 0.35

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Foco Primario (prime focus)El alimentador está ubicado en el foco.

El LNB está “obstruyendo la parábola”

Tendría que ser mas grande que una Offset.

Tipicamente se usan como antenas TVRO (TV Reception Only ).


CASSEGRAIN-GREGORIAN

Tienen un reflector principal y un subreflector.

Permite tener el feed (TX, LNA o LNB) “dentro” del hub (Tambor) de la antena


OFFSET

“El reflector tiene una geometría tal que el foco no está en el “centro” del plato, sino un poco mas abajo, de manera que no obstruye el haz”.

“Permite hacer antenas de bajo costo y tamaño pequeño comparado con otras de iguales características de otras geometrías”.


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Tipos de AntenasTipos de AntenasTipos de AntenasTipos de Antenas• Tesis dirigida por el Ing. Mario Cevallos


Tipos de AntenasTipos de AntenasTipos de AntenasTipos de Antenas• Arreglo Yagi-Uda

Cualquier elemento que se añade al dipolo básico de media longitud de onda se denomina elemento pasivo y no está conectado eléctricamente al dipolo.p y p

Directores (elemento pasivo): Alteran la directividad para que la ganancia se mejore al frente del dipolo.

Mientras mas directores la antena es mejor en captar señales de la fuente y rechazar señales de otros ángulos.

Un nuevo director es cada vez menos efectivo


Un nuevo director es cada vez menos efectivo.

El espaciamiento entre los directores, el diámetro de los conductores, el espacio entre el primer director y el dipolo son de importancia.

La longitud de los directores determina el ancho de banda, suelen ser del 75% de la longitud del dipolo.

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Tipos de AntenasTipos de AntenasTipos de AntenasTipos de Antenas• Arreglo Yagi-Uda

Reflector (elemento pasivo):Refleja las señales que vienen por el lado de atrás del dipolo mejorando la ganancia adelante.


Tipos de AntenasTipos de AntenasTipos de AntenasTipos de Antenas


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Tipos de Antenas Tipos de Antenas --DowntiltingDowntiltingTipos de Antenas Tipos de Antenas --DowntiltingDowntilting


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Tipos de AntenasTipos de AntenasTipos de AntenasTipos de Antenas• Antenas Patch

Un poco mas complicadas que los dipolos.

Se fabrican usando dos placas paralelas de metal, formando un sándwich con unmetal, formando un sándwich con un aislante en la mitad.


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Parámetros de las AntenasParámetros de las AntenasParámetros de las AntenasParámetros de las Antenas• Ganancia

• Ancho de banda

• Ancho del haz (beamwidth)

• Polarización


Parámetros de las AntenasParámetros de las AntenasParámetros de las AntenasParámetros de las Antenas• Ganancia de una antena

Es una medida de la direccionalidad de una antena.No se refiere a obtener mayor potencia de salida que una potencia de entrada.

Es esencialmente una medida de cuan bien la antena concentra la energía radiada en guna dirección particular.

Se define como la potencia de salida, en una dirección particular, comparada a la producida por una antena isotrópica (ideal).

Una ganancia de 3 dB indica que la antena en estudio, en una dirección dada, es mejor que la isotrópica en un factor de 2.

Se mide en dBi y dBd.


Respecto al radiador isotrópico o un dipolo.

0 dBd equivalen a 2.14 dBi.

Para convertir una ganancia en dBd a dBi, se añade 2.14.

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Área efectivaEstá relacionada al tamaño físico de la antena y su forma.

Se basa en asumir una antena ideal en la que la radiación incidente sobre un área efectiva es absorbida y transferida al receptor (sin re radiación)absorbida y transferida al receptor (sin re-radiación).

Esta antena ideal absorbe tanta energía como la antena real.

Otra forma de ver este concepto:

Es el área que cuando multiplicada por un flujo de energía incidente (promediado en el tiempo), nos entrega la máxima potencia recibida por la antena.

Para la antena isotrópica ideal, que es un punto, de que área se habla?

2'2

4πλλ

==eA πλλ

2' =


Área del círculo con radio

4πe π2'λ

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Área efectivaPara una antena alargada que puede parecer esencialmente unidimensional, de que área se habla?

El concepto de área efectiva indica que posee una segunda dimensión determinada por

P l d di l i d d dλ

Para la antena de media longitud de onda

Un rectángulo con una de las dimensiones igual a la longitud física de la antena y la otra de aproximadamente λ/4.

La relación entre ganancia y Ae para cualquier antena es:

( )λλπλλ

πλ 26.0

2264.1

2464.1 2

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛==eA


La relación entre ganancia y Ae para cualquier antena es:

Parámetros de las AntenasParámetros de las AntenasParámetros de las AntenasParámetros de las Antenas• Ancho de banda

Es la banda de frecuencias en la cual el performance de la antena se considera aceptable.

Mientras mayor es el rango de frecuencia que abarca una banda, mayor debe ser elMientras mayor es el rango de frecuencia que abarca una banda, mayor debe ser el ancho de banda de la antena.

Si se diseña una antena para un gran ancho de banda, generalmente no tendrá tan buen comportamiento como una antena similar optimizada en un ancho de banda mas pequeño.


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Parámetros de las AntenasParámetros de las AntenasParámetros de las AntenasParámetros de las Antenas• Ancho del haz (beamwidth)

Es una medida para describir antenas direccionales.

Se le suele llamar ancho del haz deSe le suele llamar ancho del haz de media potencia.

Es el ancho total en grados, sobre el lóbulo de radiación principal, medidos en los puntos en los que la potencia radiada ha disminuido 3 dB respecto a la dirección de la línea


central del lóbulo.

Parámetros de las AntenasParámetros de las AntenasParámetros de las AntenasParámetros de las Antenas

• PolarizaciónLas ondas de radio están constituidas por dos campos: el eléctrico y el magnético.

Estos campos son perpendiculares entre si.

La combinación de los dos es el campo electromagnético.p g

La polarización viene definida por la trayectoria que describe el vector de campo eléctrico (o magnético) cuando se observa en el sentido de propagación de la onda.

Forma fácil de visualizar:La posición y dirección del campo eléctrico con referencia a la superficie de la tierra determina la polarización de la onda.

Polarización Horizontal: el campo eléctrico es paralelo a tierra.


Polarización Vertical: el campo eléctrico es perpendicular a tierra.

Normalmente, dos antenas que forman un enlace deben colocarse para tener la misma polarización.

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Parámetros de las AntenasParámetros de las AntenasParámetros de las AntenasParámetros de las Antenas• Polarización

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 de mano derecha. (right-handed)

Si lo hace en sentido contrario, la polarización es de mano izquierda ( left-handed).

Polarización elíptica: el vector de campo eléctrico describe una trayectoria elíptica.Se puede distinguir entre polarización elíptica de mano derecha e izquierda.


Parámetros de las AntenasParámetros de las AntenasParámetros de las AntenasParámetros de las Antenas• Polarización cruzada (Cross-Polarization)

Cuando dos antenas no tienen la misma polarización.Si se tienen dos antenas, ambas con polarización lineal, pero una tiene polarización vertical y la otra polarización horizontal.

Una antena que use polarización circular de mano derecha no podrá recibir una onda polarizada circularmente de mano izquierda.

A veces es beneficiosa.Por ejemplo, suponer que las antenas de un enlace A tienen polarización cruzada con las antenas de un enlace B.

L l A B d l dif t bi d d l t l


Los enlaces A y B son dos enlaces diferentes, ubicados cerca uno del otro, pero no es la intención que se comuniquen entre ellos.

En este caso, el hecho que los enlaces A y B tengan polarización cruzada es beneficioso, porque esto previene o reduce la posibilidad de interferencia entre los enlaces.

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PIREPIREPIREPIRE• Effective Isotropic Radiated Power (EIRP)

Potencia Isotrópicamente Radiada Efectiva (PIRE)

• Es la potencia equivalente de una señal transmitida en términos de p q

un radiador isotrópico.

• PIRE es la suma de la potencia de transmisión y la ganancia de la

antena (menos la pérdida en los cables y acoplamiento). Es el producto Pt.Gt


Se expresa en watts (W).

Para un valor de potencia transmitida Pt ,el PIRE aumenta con la ganancia de la antena transmisora Gt.

PropagaciónPropagaciónPropagaciónPropagación• La señal radiada por una antena tiene tres modos que siguen

diferentes rutas de viaje:Onda terrestre (ground wave).

Onda espacial (sky wave).

Línea de vista (line of sight, LOS). **Es el de interés en el curso.

• Cada modo de propagación indicado predomina de acuerdo al

rango de frecuencia en el que se trabaje.


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PropagaciónPropagaciónPropagaciónPropagación• Propagación por onda terrestre

Hasta 2 MHz Ejemplo: radio AM (amplitud modulada)

Si se usa una torre para una antena AM usando λ/4 a 810 kHz se tendría una longitud p gde 88 m.

Mas o menos sigue el contorno de la tierra (curvatura del planeta) y puede propagarse grandes distancias, más allá de la línea de horizonte visual.

La onda electromagnética induce una corriente en la superficie de la tierra, lo que provoca que la onda se incline hacia la tierra y siga su curvatura.

La difracción también contribuye.

C i d l d l é i f b á l


Comportamiento de la onda electromagnética frente a obstáculos.

En este rango de frecuencia, las ondas son dispersadas por la atmósfera.

Las ondas no pueden penetrar la atmósfera superior.

PropagaciónPropagaciónPropagaciónPropagación• Propagación por onda terrestre


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PropagaciónPropagaciónPropagaciónPropagación• Propagación por onda sky

Se utiliza para radio amateur (radio CB, citizen band) y broadcasts internacionales (BBC y Voice of America).

La señal es reflejada por la capa superior ionizada de la atmósfera (ionosfera) deLa señal es reflejada por la capa superior ionizada de la atmósfera (ionosfera) de vuelta hacia la tierra.

Efecto de reflexión causado en realidad por refracción.

Las ondas sufren múltiples saltos, inciden en la ionosfera y de vuelta a la superficie de la tierra.

Una señal puede captarse a miles de kilómetros del transmisor.


PropagaciónPropagaciónPropagaciónPropagación• Propagación por onda sky


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PropagaciónPropagaciónPropagaciónPropagación• Propagación por LOS.

Sobre los 30 MHz no opera ninguno de los modos descritos.

Para comunicaciones satelitales:Señales sobre los 30 MHz no son reflejadas por la ionosferaSeñales sobre los 30 MHz no son reflejadas por la ionosfera.

Se puede transmitir desde una estación terrena y desde un satélite.

Para comunicaciones terrestres, las antenas de transmisión y recepción deben estar dentro del rango de una línea de vista “efectivaefectiva”.

Efectiva hace referencia debido a que las señales de microonda son refractadas (dobladas) por la atmósfera.

Cuanto se doblan y en que dirección depende de varios factores, pero en general las


microondas se doblan en la dirección de la curvatura de la tierra y se propagan más allá de la línea de vista óptica.

PropagaciónPropagaciónPropagaciónPropagación• Propagación por LOS


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ReflexiónReflexiónReflexiónReflexión• Una onda incidente en una

superficie reflectora, será

reflejada con un ángulo igual

al ángulo incidente.Los ángulos son medidos respecto a la normal a la superficie.

• La onda electromagnética

incide sobre superficies que


incide sobre superficies que

sean grandes en relación a su longitud de onda.

RefracciónRefracciónRefracciónRefracción• Se produce debido a que una onda electromagnética (luz o radio)

viaja a una velocidad que depende de la densidad del medio por el

que se desplaza.En el vacío a 3x 108 m/s (la constante c, velocidad de la luz en el vacío).

En otros medios transparentes (aire, agua, vidrio, etc.) o parcialmente transparentes las ondas electromagnéticas viajan a velocidades menores que c.

• Cuando una onda pasa de un medio con cierta densidad, a otro

medio con diferente densidad, su velocidad cambia.


El efecto es que la dirección de la onda cambia,

una sola vez, en el límite entre los dos medios.

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RefracciónRefracciónRefracciónRefracción• Ley de Snell

La relación de los índices de refracción de los medios es a la relación de los senos de los ángulos de refracción e incidencia.

• Índice de refracción Índice de un medio es calculado en comparación con el índice del vacío.

Varía con la longitud de onda, por lo que los efectos de refracción difieren para señales con diferente frecuencia.


RefracciónRefracciónRefracciónRefracción• La figura muestra un único cambio abrupto.

• Es posible que el índice del medio vaya cambiando gradualmente,

lo que daría como resultado un “doblamiento” gradual de la señallo que daría como resultado un doblamiento gradual de la señal.

El índice de refracción de la atmósfera disminuye con la altura por lo que las ondas viajan mas lentamente cerca del suelo

d lt


que a grandes alturas.

Efecto es que las señales se doblan ligeramente hacia la tierra.

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DifracciónDifracciónDifracciónDifracción• Las ondas tiene la capacidad de “doblarse en las esquinas o bordes

de un objeto” (difracción).La señal no es cero detrás de las barrera, en la región de sombra.

Los efectos de difracción se producen cuando la onda choca contra los bordes de un cuerpo impenetrable que es grande en relación a la longitud de onda de la señal.

Cuando una señal encuentra tales bordes las ondas se propagan en diferentes direcciones con el borde haciendo las veces de fuente.


Dispersión (Dispersión (ScatteringScattering))Dispersión (Dispersión (ScatteringScattering))• Fenómeno en el cual la dirección, frecuencia o polarización de la

onda es cambiada cuando la onda encuentra discontinuidades en el medio, o interactúa con el material a nivel atómico o molecular.

Di ió lt bi l t i d d d l di t ib ió d lDispersión resulta en un cambio aleatorio o desordenado en la distribución de la energía incidente.

• Cuando el tamaño de los obstáculos está en el orden de la longitud de onda de la señal transmitida.

• Una señal es “dispersada” en varias señales más débiles, por lo


p , pque son difíciles de predecir.

• La mayoría de superficies no son uniformes. Las ondas se dispersan en todas direcciones.

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Transmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vista• Los factores que influyen en un enlace de comunicaciones usando

línea de vista, modificando la señal recibida son:Atenuación y distorsión por atenuación

Pérdidas por espacio libre (Free space loss)

Ruido (Noise) / Ruido Térmico

Absorción Atmosférica

Multipath


Transmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vista• Atenuación y distorsión por atenuación

La intensidad de una señal decae con la distancia en cualquier medio de transmisión.

En medios guiados, la atenuación es exponencial y se expresa como una constante g , p y p(db/m).

En medios no guiados, la atenuación es una función mas compleja de la distancia y de las condiciones atmosféricas.

Factores a considerarse en medios no guiados:1. La señal debe tener suficiente intensidad para que el receptor pueda detectarla e

interpretarla.

2 La señal debe tener un nivel lo suficientemente alto que el ruido para que sea recibida


2. La señal debe tener un nivel lo suficientemente alto que el ruido para que sea recibida sin errores.

3. La atenuación es mayor a mayores frecuencias, causando distorsión.

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Transmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vista• Atenuación y distorsión por atenuación

Factores a considerarse en medios no guiados:Los problemas 1 y 2 se solventan con niveles de potencia adecuados en transmisión y el uso de amplificadores y repetidores.

En transmisiones punto-punto:Se debe tener una intensidad adecuada para recibir inteligiblemente la señal, pero no muy alta como para saturar el transmisor o el receptor, causando distorsión.Mas allá de una cierta distancia, la atenuación será inaceptable, y se usan amplificadores y repetidores a intervalos regulares de distancia.

Para transmisiones multipunto el problema se complica porque las distancias entre transmisores y receptores son variables.

El problema 3 se conoce como “distorsión por atenuación”.


La atenuación varía en función de la frecuencia, distorsionando la señal recibida.Las componentes de frecuencia de la señal recibida tendrán diferentes intensidades relativas a las de las componentes de frecuencia de la señal transmitida.

Se utilizan ecualizadores para “ecualizar la atenuación” en una banda de frecuencia, así un amplificador puede amplificar las altas frecuencias mas que las bajas.

Transmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vista• Pérdidas por espacio libre (Free space loss)

En cualquier sistema inalámbrico, la señal se dispersa con la distancia.Una antena recibirá menor nivel de señal mientras mas alejada se encuentre del transmisor, manteniendo fija el área de la antena.

Es la fuente principal de pérdidas en comunicaciones satelitalesEs la fuente principal de pérdidas en comunicaciones satelitales.

Aún si no hubiese otras fuentes de atenuación, una señal transmitida se atenúa porque la señal se distribuye en un área cada vez mas grande.


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Para la antena isotrópica ideal:

( ) ( )22 44 fddPt ππ

Pt = potencia de la señal en la antena de transmisión

Pr = potencia de la señal en la antena de recepción( ) ( )

22

44cfdd

PP

r

t πλπ

==

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛==λπd

PPL

r

tdB

4log20log10

( ) ( )

p

λ = longitud de onda de la portadora

d = distancia de propagación ente las antenas

c = velocidad de la luz (3x10 8 m/s)

Con d y λ en las mismas unidades (e.g., metros)


( ) ( ) dB98.21log20log20 ++−= dλ

( ) ( ) dB 56.147log20log204log20 −+=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛= df

cfdπ



( ) ( ) dB 44.32log20log20 ++= KmdMHzfLdB

( ) ( ) dB 56.147log20log20 −+= dfLdB

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Para otras antenas se debe considerar las ganancias de las antenas:

( ) ( ) ( ) ( )cdddP 22224 λπ

Gt = ganancia de la antena de transmisión

Gr = ganancia de la antena de recepción

A Á f i d l d( ) ( ) ( ) ( )trtrtrr

t

AAfcd

AAd

GGd

PP

22

4===

λλ

π At = Área efectiva de la antena de transmisión

Ar = Área efectiva de la antena de recepción

( ) ( ) ( )rtdB AAdL log10log20log20 −+= λ

2

2

2

44c

AfAG ee πλπ

==


( ) ( ) ( ) dB54.169log10log20log20 +−+−= rt AAdf


Para una antena isotrópica ideal:

( ) ( ) dB 56.147log20log20 −+= dfLdB

Para la misma separación: a mayor frecuencia: mayoresmayores pérdidas por espacio libre.

Para una antena que nono sea la isotrópica ideal:

A mayor frecuencia se esperaría mayores pérdidas, pero estas pérdidas pueden ser compensadas con la ganancia de las antenas.

Para las mismas dimensiones de la antena y separación: a mayor frecuencia menoresmenores pérdidas

( ) ( ) ( ) dB54.169log10log20log20 +−+−= rtdB AAdfL


Para las mismas dimensiones de la antena y separación: a mayor frecuencia, menoresmenores pérdidas por espacio libre.

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Transmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vista• Ruido

La señal recibida es una versión modificada de la señal transmitida.Modificada por las diferentes distorsiones impuestas por el sistema de transmisión mas señales adicionales no deseadas que se insertan en algún lugar entre el transmisor y el receptor.

Ruido se refiere a estas señales no deseadasRuido se refiere a estas señales no deseadas.

El ruido es el mayor factor limitante en el rendimiento de un sistema de comunicaciones.

Categorías:Ruido térmico (Thermal Noise)

Ruido por intermodulación (Intermodulation noise)

Crosstalk

Ruido Impulsivo (Impulse Noise)


Transmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vista• Ruido térmico (Thermal Noise)

Se debe a la agitación termal de los electrones.

Es función de la temperatura.

Está uniformemente distribuido en el espectro de frecuencia por lo que se le conoce como RUIDO BLANCO (white noise).

Presente en todo dispositivo electrónico y medio de transmisión.

No puede ser eliminado e impone límites en el rendimiento de los sistemas de comunicación.

Particularmente significativo en comunicaciones satelitales debido a la baja intensidad de las señales que se reciben en las estaciones terrenas.

La cantidad de ruido térmico presente en un ancho de banda de 1Hz en cualquier dispositivo o conductor es:

( )


N0 = densidad de potencia del ruido en watts por 1 Hz de ancho de banda

k = constante de Boltzmann = 1.3803 x 10-23 J/K

T = temperatura, in grados kelvin (temperatura absoluta )

( )W/Hzk0 TN =

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Transmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vista• Ruido térmico (Thermal Noise)

Este ruido es independiente de la frecuencia.Para encontrar el ruido térmico en un ancho de banda B dado, expresado en watts:

TBN k= TBN kBTN log10 log 10k log10 ++=

BT log10 log 10dBW 6.228 ++−=


Transmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vista• Ruido de Intermodulación

Cuando se producen señales a frecuencias (f1+f2) o (f1-f2), o múltiplos de estas frecuencias.

Estas señales no son deseadas y pueden interferir con señales que fueron diseñadas para trabajar a esas frecuencias.

f1 y f2 podrían ser las frecuencias asociadas en un proceso de modulación, o un proceso de mezcla de frecuencias.

Este tipo de ruido se produce por las no linearidades existentes en dispositivos de transmisión, recepción.

Estos sistemas normalmente operan de forma lineal (la señal de salida es una constante multiplicada por la señal de entrada).

Cuando operan en forma no lineal la salida es un función mas compleja de la entrada.

M l f i i t d t


Mal funcionamiento de un componente.

Intensidad excesiva de la señal de entrada que produce saturación de dispositivos.

La naturaleza de los Amplificadores.

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Transmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vista• Crosstalk (Diafonía)

Recordar si alguna vez durante una conversación telefónica se ha escuchado otra conversación.

Resultado de un acoplamiento no deseado entre los medios que llevan las señales.Acoplamiento eléctrico entre cables cercanos UTP.

Señales no deseadas son captadas por antenas de microonda, a pesar que suelen ser muy direccionales, todavía existe energía que se dispersa durante la propagación.

Del mismo orden de magnitud, o menor, que el ruido térmico (Stallings).

Este tipo de ruido domina en las bandas ISM no licenciadas.Industrial, Scientific and Medical


Transmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vista• Ruido Impulsivo

Consiste de pulsos irregulares o picos de ruido, de corta duración y amplitud relativamente alta.

Fuentes de generación:Rayos, fallas en los sistemas de comunicación.

Para datos de fuentes analógicas no suele ser problemático:Escuchar un click o chasquido corto no hace de una conversación telefónica inteligible.

Para datos digitales, es la principal fuente de errores:Un pico de energía de 0.01s de duración no destruiría una transmisión de voz pero dañaría 560 bits de datos transmitidos a 56kbps.


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Transmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vista• Eb/No

Signal-to-noise ratio (SNR, o S/N)power noisepower signallog10)( 10dB =SNR

La relación entre la potencia de una señal y la potencia del ruido presente en un punto determinado de la transmisión.

Una medida de la cantidad con la que la señal deseada supera al nivel de ruido.

Para un nivel de dado de ruido, mientras mas grande sea la intensidad de la señal, mejor la habilidad para recibir datos correctamente bajo la presencia de ruido.

Es fundamental en la transmisión de datos digitales porque impone un límite superior en el ritmo de trasmisión que puede obtenerse.

( )SNR1log2 += BC


C = máxima capacidad del canal en bps.

B = ancho de banda del canal en Hz.

Desarrollada por Shannon, representa un máximo ideal a obtenerse.Tercer teorema de Shannon y el mas famoso.

En la práctica se obtiene valores menores a este máximo, debido a que se está asumiendo solo ruido blanco.

( )g2


Teorema de la Capacidad de un Canal (Shannon)Relaciona tres parámetros fundamentales del sistema: ancho de banda del canal, potencia

( )SNR1log2 += BCRelaciona tres parámetros fundamentales del sistema: ancho de banda del canal, potencia promedio transmitida o recibida, y la densidad espectral de potencia del ruido.

La capacidad indicada se conoce como “capacidad libre de error”.

Shannon demostró que si el ritmo de transmisión en una canal es menor que la “capacidad libre de error”, entonces teóricamente es posible usar un “código adecuado” para conseguir la transmisión libre de errores por el canal.

El teorema no indica como obtener ese código.

Para un nivel de ruido dado:

Parecería que C podría incrementarse tan solo incrementando el nivel de la señal (SNR se


Parecería que C podría incrementarse tan solo incrementando el nivel de la señal (SNR se incrementa) o B.

Si se incrementa el nivel de la señal, se incrementan las no linearidades en el sistema con lo que se incrementa el ruido de intermodulación.

Si se incrementa el ancho de banda, se debe considerar que la relación asume solo la presencia de ruido blanco; por lo tanto, si se aumenta B también se aumenta el ruido blanco del sistema y SNR disminuye.

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Se considera más conveniente que SNR para determinar ritmos de transmisión y tasas de error.

Relación entre “energía de la señal por bit” y “densidad de potencia del ruido por Hertz”.

Considerando una señal que contenga datos digitales transmitidos a una tasa de R bps.La energía por bit estaría dado por la potencia de la señal presente durante la duración de un bit.

(Potencia=Energía/unidad de tiempo)

S = es la potencia de la señal

Tb = es la duración de un bit, con R= 1/ Tb

bb STE =


TRS

TRS

NRS

NST

NE

oo

b

o

b

k)k(/

====

k0 TN =


Esta relación es importante porque las formulaciones para determinar la probabilidad de error (BER – bit error rate) para información digital se expresan como función de ésta.

TRS

NE

o

b

k=

Para una curva dada, si el nivel de la señal se incrementa, el BER en el receptor decrece.

Debe notarse que no existe una sola curva; la existencia de las otras refleja las diferentes formas en que los datos son codificados en la señal.

Diferentes esquemas de modulación


Dado un Eb/No, necesario para obtener un BER deseado, se deben seleccionar los parámetros S y R.

Si R se incrementa, S debe incrementarse para conservar el Eb/No

solicitado.

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En la figura se puede ver que en algunos casos el ruido es suficiente para alterar el valor de un bit.

Si el ritmo de transmisión se duplicara, los bits estarían mas cercanos, y el mismo ruido podría destruir dos bits en lugar de uno.

Por lo tanto, para un valor constante de señal a


ruido, un incremento en el ritmo de transmisión provoca un incremento en la tasa de errores.

Transmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vista• Absorción atmosférica

El vapor de agua y el oxígeno contribuyen a la atenuación.Para el vapor de agua:

La atenuación tiene sus máximos alrededor de 22 GHz.

A f i 15 GH l ióA frecuencias menores a 15 GHz la atenuación es menor.

Para el oxígeno:

La atenuación tiene sus máximos alrededor de 60 GHz.

A frecuencias menores a 30 GHz la contribución es menor.


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Transmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vista• Absorción atmosférica

La lluvia y neblina (gotas de agua suspendidas) provocan la dispersión (scattering) de las ondas de radio frecuencia que resulta en atenuación.

En áreas con precipitaciones significativas, se deben usar bandas de frecuencia mas bajas o la longitud de los enlaces debe ser menorlongitud de los enlaces debe ser menor.


Transmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vista• Atenuación Atmosférica en

comunicaciones satelitalesCausas principales: oxígeno y agua (lluvia y neblina).

Afectada por el ángulo de elevación de la antena.

Mientras mas pequeño, mayor la distancia que se debe viajar por la atmósfera.

Afectada por la frecuencia.


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Transmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vista• Multipath

En los casos en los cuales se tiene libertad en la ubicación de las antenas, se las puede colocar de tal manera que, si no existen obstáculos cercanos, se tenga un camino de línea de vista directa del transmisor al receptor.

E l i t t lit l l d i d t tEs el caso para sistemas satelitales y para enlaces de microonda punto-punto.

En sistemas móviles, como telefonía celular, existe gran cantidad de obstáculos.La señal puede ser reflejada por tales obstáculos provocando que se tengan múltiples copias de la señal con retardos variables en recepción.

En algunos casos (móviles) pueden captarse solo señales reflejadas y no una señal directa.

Dependiendo de las diferencia en las longitudes de los caminos seguidos por las ondas directa y reflejadas, la señal compuesta resultante en el receptor puede ser mas pequeña o mas grande que la señal directa.


Transmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vista• Multipath

Ejemplos de interferencia multipath terrestres:

Microonda fija

A d l lí dA mas de la línea de vista directa se tiene una contribución por refracción en la atmósfera y otra por reflexión en tierra.

Comunicaciones móviles

Estructuras y características


características topográficas proveen superficies de reflexión.

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Transmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vista• Zona de Fresnel

Es el área elíptica (en realidad en 3D) que rodea el camino visual.

El tamaño de la zona varía dependiendo de la longitud del camino y la frecuencia de la señal.

Puede calcularse y debe considerarse al diseñar los enlaces.Para evitar pérdidas extras.



Debe distinguirse entre la línea de vista óptica y la línea de vista para radio.La de radio requiere estar también libre de obstáculos para considerar el comportamiento de las ondas.

Si l f i di i l t ñ d l d F l i tSi la frecuencia disminuye, el tamaño de la zona de Fresnel se incrementa.

Si la longitud del camino se incrementa, el tamaño de la zona de Fresnel se incrementa. Mientras mas grande sea la separación entre las antenas, mayor debe ser la altura de las antenas.


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El radio de la zona de Fresnel es mayor a mitad del camino.El punto medio requiere estar libre de obstáculos



H = 43.3 * Sqrt(D / 4F)H = Height of the First Fresnel Zone (in feet)

D = Distance between the antennas (in miles)

F = Frequency in GHzF Frequency in GHz

• La curvatura de la tierra se convierte en una preocupación para enlaces

mayores a 11 km.La línea de vista desaparece a 25 km.

Por lo tanto, la curvatura de la tierra debe considerarse cuando se calcula la altura de montaje de las antenas.

Para considerar la obstrucción por el “abultamiento” de la tierra, las antenas deben elevarse mas en


Para considerar la obstrucción por el abultamiento de la tierra, las antenas deben elevarse mas en comparación con la situación en la cual la tierra fuese plana.

La altura adicional se calcula usando:H = D2/8

H = Height of earth bulge (in feet)

D = Distance between antennas (in miles)D es la distancia en millas, y la altura añadida está en pies.

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Transmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vista• Un radio enlace se diseña con ayuda de un diagrama con los perfiles del

terreno, el cual toma en consideración la curvatura de la señal de radio en condiciones estándar.

La escala de la altura es diferente que el de la escala horizontal, y las direcciones perpendiculares a la superficie de la tierra son paralelas.

El punto medio del enlace (salto) se ubica en la mitad del diagrama.

Luego de dibujar el terreno, se selecciona la altura de las antenas.La primera zona de Fresnel debe estar libre.


Transmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vistaTransmisión con línea de vista


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Desvanecimiento en Ambientes MóvilesDesvanecimiento en Ambientes MóvilesDesvanecimiento en Ambientes MóvilesDesvanecimiento en Ambientes Móviles

• Los modelos de propagación tradicionalmente se enfocan en predecir el nivel promedio de la señal recibida a una distancia

dada del transmisor.Se denominan modelos de propagación a gran escala (large-scale) ya que caracterizan el nivel de la señal a grandes separaciones entre el transmisor-receptor (cientos o miles de metros).

• Por otro lado, se requieren modelos de propagación que

caracterizan las rápidas fluctuaciones de los niveles de la señal


recibida entre pequeñas distancias (unas pocas longitudes de onda) o periodos cortos de tiempo.

Se denomina modelos de desvanecimiento de pequeña escala (small-scale fading) o simplemente desvanecimiento (fading).


• Desvanecimiento de pequeña escala (small-scale fading)O simplemente desvanecimiento (fading).

Se refiere a las rápidas fluctuaciones de la potencia de la señal recibida, en cortos periodos de tiempo o cortas distancias de desplazamiento, causadas por cambios en el medio de transmisión o por los diversos caminos seguidos por las señales (multipath) que causan interferencia.

En un ambiente fijo, el fading es afectado por cambios en las condiciones atmosféricas, como la lluvia.

En una ambiente móvil, además se tiene:


Que una de las dos antenas se está moviendo en relación a la otra.

La ubicación relativa de los obstáculos cambia con el tiempo, creando efectos de transmisión complejos.

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Desvanecimiento en Ambientes MóvilesDesvanecimiento en Ambientes MóvilesDesvanecimiento en Ambientes MóvilesDesvanecimiento en Ambientes Móviles• Desvanecimiento ( fading)

Para el caso de una unidad móvil, desplazándose por una calle en un ambiente urbano, rápidas

i i ivariaciones ocurren en el nivel de la señal en distancias de alrededor de media longitud de onda.

En un sistema celular a 900MHz, la longitud de onda es de 0.33m.

La figura presenta la variación espacial de la señal recibida a 900MHz en un ambiente urbano.Existen cambios de amplitud tan grandes como 20 y 30 dB en distancias cortas.

Esto afecta a teléfonos celulares de personas en autos, y a personas caminando por una calle en un


medio urbano.

Considerando desplazamientos de los usuarios móviles mucho mayores a una longitud de onda, los ambientes urbanos cambian; el usuario pasa por edificios de diferentes alturas, terrenos baldíos, intersecciones, etc.

Existen cambios en la potencia promedio recibida (alrededor de los cuales se producen las fluctuaciones rápidas).


• Propagación multipathLos mecanismos de propagación que contribuyen son:

Reflexión:

Suponiendo que se recibe en el dispositivo móvil una onda reflejada en la tierra, p q p j ,esta onda sufre un desfase de 180 grados, por lo que la onda reflejada en tierra y la señal directa por línea de vista podrían cancelarse, resultando en una gran pérdida de la señal.

La onda reflejada sigue un camino mas largo, lo que crea un desplazamiento de la fase debido al retardo, respecto a la onda de línea de vista.

Cuando el retardo es equivalente a media longitud de onda, las señales están nuevamente en fase.


La antena móvil está generalmente a una altura inferior que la mayoría de construcciones hechas por el hombre en el área, se produce interferencia multipath.

Estas ondas reflejadas pueden interferir constructiva o destructivamente en el receptor.

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Desvanecimiento en Ambientes MóvilesDesvanecimiento en Ambientes MóvilesDesvanecimiento en Ambientes MóvilesDesvanecimiento en Ambientes Móviles• Propagación multipath



• Propagación multipathLos mecanismos de propagación que contribuyen son:

Difracción:

Las señales pueden ser recibidas aun cuando no exista una línea de vista desde el ptransmisor.

Dispersión (scattering):

A frecuencias de microonda celular típicas, existen numerosos objetos, como un semáforo, que pueden causar dispersión.

Los diferentes mecanismos mencionados influyen en el performance del sistema de maneras diferentes, dependiendo de las condiciones locales, y de acuerdo a como se

ili l id d ó il d t d ld


moviliza la unidad móvil dentro de una celda.Si existe línea de vista al transmisor, entonces los efectos de difracción y dispersión son generalmente efectos menores, aunque la reflexión puede tener un impacto significativo.

Si no hay línea de vista, como en las áreas urbanas a nivel de la calle, los mecanismos principales que permiten la recepción son la difracción y la dispersión.

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• Efectos de la propagación multipath

Un efecto no deseado de la ió lti thpropagación multipath es que

múltiples copias de la señal lleguen con diferentes fases.

Si las fases hacen que las señales se sumen destructivamente, el nivel de la señal respeto al ruido disminuye, haciendo que la detección de la

ñ l l t difí il


señal en el receptor sea mas difícil.


• Efectos de la propagación multipathISI (InterSSymbol Interference)

Para explicar esto, se asume que se envía un pulso angosto a una frecuencia dada por un enlace entre una antena fija y una unidad móvil.La figura indica lo que se recibiría si se enviaran dos pulsos, a los tiempos indicados, por el canal.

En cada caso, el primer pulso recibido corresponde a la señal con línea de vista deseada.

La magnitud de esos pulsos puede cambiar debido a cambios en la atenuación atmosférica.A medida que la unidad móvil se aleja de la antena fija, la cantidad de atenuación de la señal de línea de vista se incrementa.


La figura indica que a mas de los pulsos principales, existe un conjunto de pulsos secundarios debido a reflexión, difracción y dispersión.

Si los pulsos estuviesen codificando uno o mas bits de datos, se tendría que una o varias de las copias con retardo podrían llegar al mismo tiempo que un pulso principal de un bit subsiguiente.

Estos pulsos con retardo actúan como una forma de ruido para un pulso subsiguiente.

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• Efectos de la propagación multipath.ISI (InterSSymbol Interference)

A medida que la unidad móvil se mueve, la ubicación de los obstáculos cambia; por lo que el número, magnitud y retardo de los pulsos secundarios cambia.

Todo esto complica el diseño de técnicas de procesamiento de señales que filtren los múltiples efectos.



• Desplazamiento Doppler (Doppler Shift)Debido al movimiento relativo entre una unidad móvil y una antena fija, cada onda multipath experimenta un aparente desplazamiento en frecuencia.

El desplazamiento es directamente proporcional a la velocidad y dirección de movimiento del móvil con respecto a la dirección de llegada de la onda mulitpath.

Cada onda multipath sufre un desplazamiento diferente, dando como resultado una modulación en frecuencia aleatoria.

El móvil puede estar alejándose o acercándose de la estación fija.

Si l bj t l l d di tá i i t l


Si los objetos en el canal de radio están en movimiento, provocan que el desplazamiento Doppler sea variable en el tiempo.

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• Desplazamiento Doppler (Doppler Shift)Considerando un objeto moviéndose a una velocidad constante v, a lo largo de un segmento de longitud d entre los puntos X y Y, mientras recibe señales de una fuente remota S .de una fuente remota S .


La diferencia en longitud de los caminos recorridos por la onda de S a los puntos X y Y es: Δl = d cosΘ = v Δt cosΘ

Δt = tiempo requerido para que el móvil se desplace de X a Y.Θ = se asume que es el mismo en X y Y puesto que S está muy lejos.

Desvanecimiento en Ambientes MóvilesDesvanecimiento en Ambientes MóvilesDesvanecimiento en Ambientes MóvilesDesvanecimiento en Ambientes Móviles• Desplazamiento Doppler (Doppler Shift)

El cambio de fase en la señal recibida debido a la diferencia en la longitud de los caminos es:

θλπ

λπφ cos22 tvl Δ

=Δ

=Δ

El cambio aparente en frecuencia, o desplazamiento Doppler, es:

La ecuación relaciona el desplazamiento con la velocidad del móvil.

Si el móvil se mueve hacia la dirección de llegada de la onda, el desplazamiento Doppler es positivo (la frecuencia aparente recibida se incrementa); caso contrario es negativa.

Las componentes multipath que llegan de diferentes direcciones contribuyen al esparcimiento

θλ

φπ

cos21 v

tfd =

ΔΔ

=


Doppler (Doppler Spread) de la señal recibida, incrementando el ancho de banda de la señal.El Doppler Spread considera la naturaleza cambiante con el tiempo del canal debido al movimiento del móvil u objetos en el canal y es una medida del ensanchamiento espectral.

Si se transmite un tono a fc, el espectro de la señal recibida tendrá componentes en el rango (fc-fd) y (fc+fd).

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Mecanismos para Compensación de ErroresMecanismos para Compensación de ErroresMecanismos para Compensación de ErroresMecanismos para Compensación de Errores

• Los esfuerzos para compensar los errores y distorsiones introducidas por el desvanecimiento multipath caen en tres

categorías:FEC (Forward error correction)

Ecualización Adaptiva (Adaptive equalization)

Técnicas de Diversidad (Diversity techniques)

• En un ambiente inalámbrico típico, se combinan técnicas de las

tres categorías.


g


• FEC (Forward Error Correction)Forward se refiere a que mediante procedimientos en el receptor se corrigen los errores en los datos, con la particularidad de que se emplea solo información contenida en la señal digital recibida.g

Backward se refiere a que mediante procedimientos en el receptor se detectan los errores, y luego se solicita un pedido de retransmisión de los datos que contienen errores.

No es práctica en muchas aplicaciones inalámbricas.

En comunicaciones satelitales, el retardo involucrado hace que las retransmisiones no sean deseables.


En comunicaciones móviles, las tasas de error son tan altas que existe una alta probabilidad que los bloques retransmitidos también tengan errores.

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• FEC (Forward Error Correction)1. Usando un algoritmo de codificación, el transmisor añade un número de bits

(redundancia) a cada bloque de datos transmitido.Los bits extra forman un código corrector de errores y son calculados en función de los g ybits de datos.

2. En recepción, para cada bloque de bits (datos + código de corrección de errores), el receptor calcula un nuevo código de corrección de errores basado en los bits de datos solamente. Si el código calculado es igual que el código recibido, el receptor asume que no han ocurrido errores en este bloque de bits.


3. Si el código calculado no coincide con el código recibido, se conoce que ha existido uno o mas errores. Si el número de errores está bajo un límite (que depende de la longitud del código y la naturaleza del algoritmo), es posible que el receptor determine las posiciones de los bits con error y corrija todos los errores.


• FEC (Forward Error Correction)Típicamente, en aplicaciones móviles inalámbricas, la relación entre el número total de bits enviado y el número de bits de datos enviados está entre 2 y 3.

Esto puede parecer un overhead extravagante, dado que la capacidad del sistema ha p p g , q psido reducido a la mitad o un tercio de su potencial, pero el ambiente inalámbrico móvil es tan complicado que ese nivel de redundancia es necesaria.


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• Ecualización Adaptiva Se usa en transmisiones que llevan información analógica o digital.

Se usa para combatir la interferencia intersímbolo.

Se busca una manera de “reunificar” la energía dispersada de los símbolos en suSe busca una manera de reunificar la energía dispersada de los símbolos en su intervalo original de tiempo.

Es un tópico bastante grande que abarca diversa técnicas, así:El uso de los denominados “circuitos analógicos concentrados (lumped)”.

Algoritmos sofisticados de procesamiento digital de señales.



• Ecualización Adaptiva Ejemplo que ilustra el uso de circuito ecualizador lineal.

En este caso se toman 5 muestras de la señal de entrada para generar un símbolo de salida, en tiempos uniformemente espaciados (separados por un retardo τ).

Las muestras son ponderadas con los coeficientes Ci y luego sumadas para generar la salida.


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• Ecualización Adaptiva Ejemplo que ilustra el uso de circuito ecualizador lineal.

El circuito se denomina adaptivo porque los coeficientes son ajustados dinámicamente.

Los coeficientes se definen utilizando una “secuencia de entrenamiento”.

La secuencia es conocida.

La secuencia es transmitida. El receptor compara la secuencia de entrenamiento recibida con la secuencia de entrenamiento esperada (dado que es conocida), y en base a la comparación calcula los valores para los coeficientes.

Periódicamente, una nueva secuencia de entrenamiento es enviada para tomar en cuenta los cambios en el ambiente de transmisión.


Para canales Rayleigh, o peores, puede ser necesario incluir una nueva secuencia de entrenamiento con cada bloque de datos.

Esto representa un overhead considerable, pero se justifica por las altas tasas de error de los sistemas móviles inalámbricos.


• Técnicas de Diversidad Se basan en que los canales individuales experimentan eventos de desvanecimiento de forma independiente.

Se pueden compensar en cierto grado errores proveyendo múltiples canales lógicos y p p g p y p g yenviando parte de la señal por cada canal.

No se eliminan los errores pero reducen su tasa de ocurrencia dado que se ha distribuido la transmisión.

FEC y ecualización pueden encargarse de la tasa reducida de errores.

Las técnicas de diversidad se pueden clasificar en tres grupos:Espacial

D f i


De frecuencia

Temporales

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• Técnicas de Diversidad Técnicas Espaciales (space diversity)

Además puede utilizarse diversidad de polarización en las antenas.



• Técnicas de Diversidad De frecuencia (frequency diversity).

El término “diversidad” se aplica comúnmente a este tipo o al temporal.

L ñ lLa señal:

Se esparce (distribuye) en un ancho de banda mas grande

Se transporta en múltiples portadoras de frecuencia. Si la separación en frecuencias de los dos transmisores es grande, frequency selective fading tendrá baja probabilidad de afectar a ambos caminos con la misma intensidad.

El ejemplo más importante es “spread spectrum”.


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• Técnicas de Diversidad De frecuencia (frequency diversity).


Mecanismos para Compensación de ErroresMecanismos para Compensación de ErroresMecanismos para Compensación de ErroresMecanismos para Compensación de Errores• Técnicas de Diversidad

Temporal (Time diversity)Hasta poderosos códigos de corrección de error pueden ser incapaces de manejar una gran ráfaga de errores.

Tratar de distribuir los datos en el tiempo de tal forma que una ráfaga de ruido afecte un menor número de bits.

Puede ser muy efectiva en regiones de “slow fading”.

Si una unidad móvil se mueve lentamente, puede permanecer en una región de alto grado de desvanecimiento por un periodo relativamente largo.

El resultado sería una larga ráfaga de errores aun cuando el nivel promedio local de la señal sea mucho mas grande que la interferencia.


El compromiso con esta técnica es el retardo que introduce para reconstruir la señal original.

TDM (Time Division Multipex) puede usarse para proveer diversidad.

Múltiples usuarios comparten el mismo canal físico utilizando ranuras de tiempo.

Entrelazar (interleave) bloques sirve como mecanismo de diversidad.

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• Técnicas de Diversidad Temporal (Time diversity)




TDM puede usarse para proveer diversidad.

La figura ilustra el concepto.g p

Se debe notar que el mismo número de bits sigue siendo afectado por el pico de ruido, pero estos se distribuyen en un grupo de canales lógicos.

Si cada canal es protegido con FEC, el código corrector de errores podría manejar un número menor de bits (corrigiendo todos los errores).


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Sin usar TDM

Se considera el stream de bits de la fuente como una secuencia de bloques y se los q yentremezcla (baraja).

En el ejemplo se organizan grupos de 4, el mismo número de errores se sigue produciendo pero los códigos se aplican a códigos distribuidos en el tiempo.

Se puede combinar esta idea con TDM para obtener un mayor grado de diversidad.


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Revisión de Conceptos Básicos de Antenas y …clusterfie.epn.edu.ec/radiomobile/Clase/BreveRevAntenasPropag.pdf · 7 Antenas • Patrones de radiación La figura presenta el patrón