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Capítulo 3

Ruido e interferencias electromagnéticas en el radar de Piura 3.1 Introducción1 Una interferencia electromagnética (EMI, del inglés Electro Magnetic Interference) es cualquier señal o emisión, radiada al espacio o conducida a través de un cable de alimentación o a través de una línea que conduce otra señal; que obstruye o interrumpe de forma repetida un servicio de comunicaciones o que incluso que puede llegar a poner en peligro el funcionamiento de un servicio de radiocomunicación. Los servicios de radiocomunicaciones incluyen, entre otros, emisoras comerciales de AM/FM, televisión, servicios de telefonía móvil, radar, control de tráfico aéreo, buscapersonas y servicios de comunicación personal (PCS, del inglés Personal Communication Services). Estos servicios autorizados, junto con emisores no intencionados como dispositivos digitales, incluidos los sistemas computacionales, contribuyen al entorno electromagnético dentro del cual pueden interferirse unos con otros. Las microondas y las radiofrecuencias son radiaciones electromagnéticas que pertenecen a la categoría de radiaciones no ionizantes. Estas son usadas y emitidas por aparatos eléctricos, electrónicos, los utilizados en radiocomunicaciones (inclusive vía satélite), emisiones de TV, radio AM-FM, radares, etc. En cambio las radiaciones ionizantes son aquellas que al interactuar con la materia la ionizan, es decir, descomponen la materia

1 http://www.cricyt.edu.ar/enciclopedia/terminos/RadioyMicro.htm

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produciendo átomos y/o restos de moléculas con carga eléctrica (iones). Las radiaciones no ionizantes carecen de la energía suficiente para producir ionización.

Tabla 3.1. Espectro electromagnético con sus longitudes de onda y frecuencias

Denominación Longitud de onda (m)

Frecuencia (Hz)

Rayos gamma < 10 pm > 30.0 EHz Rayos X < 10 nm > 30.0 PHz

Ultravioleta Extremo < 200 nm > 1.5 PHz Ultravioleta Cercano < 380 nm > 789 THz

Luz Visible < 780 nm > 384 THz Infrarrojo Cercano < 2.5 um > 120 THz

Infrarrojo Medio <50 um > 6.00 THz Infrarrojo Lejano / submilimétrico < 1 mm > 300 GHz

Microondas < 30 cm > 1 GHz Ultra Alta Frecuencia Radio < 1 m > 300 MHz Muy Alta Frecuencia Radio < 10 m > 30 MHz

Onda corta Radio < 180 m > 1.7 MHz Onda Media (AM) Radio < 650 m > 650 kHz

Onda Larga Radio < 10 km > 30 kHz Muy Baja Frecuencia Radio > 10 km < 30 kHz

Dentro del espectro electromagnético la banda de las radiofrecuencias (que incluyen a las microondas) ocupan gran parte del espectro, ya que oscilan aproximadamente entre 10 kHz (longitud de onda de 3 Km.) y 300 GHz (longitud de onda de 1 mm). Las aplicaciones de radiofrecuencia son múltiples y algunos ejemplos de ello son: • Comunicaciones:

Radionavegación Radiodifusión AM y FM Televisión Radionavegación aérea Radioaficionados

• Industria Metalúrgica:

Templado de metales Soldaduras

• Industria Alimenticia:

Esterilización de alimentos • Medicina:

Diatermia

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3.2 Suciedad electromagnética de los cables No solo el espacio radioeléctrico está lleno de ondas de radio en constante peligro de interferencia para cualquier sistema de radiocomunicación, también lo está el tendido eléctrico. Este es un problema de aislamiento, ya que si comparamos un cable eléctrico con un cable de antena de televisión nos daremos cuenta que el primero sólo está recubierto de plástico y en cambio el cable de antena tiene varias capas de plástico y una malla metálica intermedia que lo aísla de posibles interferencias. Cualquier línea conductora es, por definición, una antena. Eso quiere decir que cualquier instalación eléctrica actúa como tal, y es muy sensible a las interferencias que se produzcan en las frecuencias de transmisión de datos, alrededor de los 30 MHz. La red eléctrica no está protegida contra las ondas de radio, pero tampoco contra el ruido electromagnético que puede introducir algún artefacto eléctrico como una afeitadora, la televisión o una computadora. Todos estos aparatos se protegen a sí mismos de la interferencia que pueda venir en la línea eléctrica (como una subida de tensión) con filtros y fusibles, pero casi nunca se considera la que estos pueden verter en ella. Estos problemas de interferencia se traducen en gastos, a veces elevados, pues para filtrar y limpiar las líneas hacen falta equipos costosos, y aún así siempre hay un equilibrio entre la velocidad y el aislamiento. Cuanto más se filtre la línea, más difícil es transmitir a altas velocidades. Otra desventaja importante son las interferencias que puedan producir otros aparatos conectados a la red eléctrica, en ese caso hay que detectarlos para aislarlos mediante un filtro. 3.3 Fuentes internas y externas de ruidos e interferencias en el radar de Piura El radar atmosférico de la Universidad de Piura se ve afectado tanto por fuentes externas así como por fuentes internas de ruido e interferencias. Dentro de las fuentes internas consideraremos a aquellos equipos y/o artefactos propios de la estación del radar usados para las mediciones que hace este sistema. Consideraremos como posibles fuentes externas de ruido a todas aquellas que provienen de equipos que no pertenecen a la estación del radar y que se filtran a través de diferentes líneas. A continuación se muestra una lista con las posibles fuentes de ruido e interferencias, tanto internas como externas. • Internas - Otros sistemas de detección (MEDAC, BLTR) - Equipos y artefactos (PC’s, aires acondicionados) - Equipos del mismo sistema (transmisores, receptores, sistema de control) • Externas - Línea eléctrica

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- Puesta a tierra - Sistemas de Radiofrecuencia externos (Sistema de Radio de UDEP,

telefonía móvil, radio y TV de la ciudad) 3.4 Métodos para eliminar interferencias2 Las interferencias entre circuitos electrónicos pueden ser eliminadas o al menos reducidas mediante la instalación de algunos dispositivos electrónicos o conexiones. Los principales métodos disponibles para combatir interferencia se listan a continuación:

• Blindaje • Aterramiento • Balanceo • Filtrado • Aislamiento • Separación y orientación • Control del nivel de impedancia del circuito • Diseño de cables • Técnicas de cancelación

A pesar de todos estos métodos disponibles, se debe recordar que el ruido usualmente no puede ser eliminado totalmente; sólo puede minimizarse hasta el punto donde no causa más interferencia. En todos los casos con excepción de los más simples, puede que no exista una solución única para el problema de reducción de ruido. Generalmente dos o más variables están involucradas y es necesario lograr un equilibrio para obtener una solución óptima. 3.5 Compatibilidad Electromagnética3 Compatibilidad Electromagnética (EMC, del inglés Electro Magnetic Compatibility) es la habilidad de un sistema electrónico de (1) funcionar correctamente en el ambiente electromagnético en el que se ha previsto que trabaje, y (2) de no ser fuente de contaminación de ese ambiente. El ambiente electromagnético está compuesto por la energía radiada y la energía conducida. Por tanto la EMC tiene dos aspectos, emisión y susceptibilidad. Susceptibilidad es la capacidad de un dispositivo o circuito de responder a los efectos de la energía eléctrica no deseada (por ejemplo ruido). El nivel de susceptibilidad de un circuito o dispositivo es el ambiente ruidoso en el cual el equipo puede operar satisfactoriamente, sin degradación, y con un margen de seguridad definido. El opuesto a la susceptibilidad es la inmunidad. La dificultad en determinar los niveles de inmunidad (o susceptibilidad) está en lograr definir lo que es considerado como una degradación en el rendimiento.

2 Michel Mardiguian, "EMI Trouble shooting Techniques" 3 Michel Mardiguian, "EMI Trouble shooting Techniques"

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La emisión hace referencia a la diferencia de potencial que un artefacto puede provocar o inducir, que es la causa de la interferencia. El propósito de controlar las emisiones es limitar la energía electromagnética emitida, y de esta manera controlar el ambiente electromagnético en el cual otros productos deben operar. Controlando la emisión de un producto (o artefacto) se puede eliminar un problema de interferencia que afecte a muchos otros. Entonces lo que se busca es controlar la emisión en un intento de producir un ambiente electromagnéticamente compatible. 3.6 Pruebas de compatibilidad electromagnética en el contenedor del radar El día 10 de febrero del 2005 se hicieron pruebas en el sistema radar atmosférico para tratar de conocer las posibles fuentes del ruido presente en las mediciones del viento de altura que hace el radar. Se logró determinar que la PC COMM, ubicada al lado de la PC MST que procesa las señales del radar, interfiere a la señal recibida causando que en el reporte del perfil de vientos aparezca un ruido a todas las alturas. Además se comprobó que el ruido era ocasionado por el CPU y no por el monitor de la PC ya que apagando el monitor el ruido permanecía. El día 11 de febrero del 2005 (día 42 del 2005) desde las 11:00 a.m. hasta las 11:30 a.m. aproximadamente (desde 16:00 hasta 16:30 UT) se repitieron las pruebas del día anterior, volviendo a comprobar que la interferencia era ocasionada por la PC COMM. Luego se decidió conectar mediante una extensión la PC COMM al contenedor del laboratorio de Dendrocronología (ubicado a 30 metros, aproximadamente, al Oeste) con la finalidad de descartar si es que el ruido ocasionado por la PC se transmitía por la línea eléctrica, ya que cada uno de los dos contenedores está alimentado por líneas eléctricas diferentes. Finalmente para estar completamente seguros de que no se estaba inyectando ruido adicional a la línea eléctrica, se procedió a desconectar todos los equipos (PC's, luces, aire acondicionado, etc) del contenedor de dendrocronología, dejando a la PC COMM como única usuaria de ese circuito. Después de volver a encender la PC se pudo observar que el ruido no había desaparecido, pero se había atenuado ligeramente. Esto sugería que parte de la interferencia sí viaja por la línea eléctrica pero que además existe otra manera por la cual se está transmitiendo el ruido. Es posible que la interferencia se deba a un oscilador que se encuentre dentro de la PC, ya que además se notó que el ruido varía su frecuencia (oscila) a lo largo del tiempo,

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Figura 3.1. Reporte de perfil de viento de altura sin ruido

Figura 3.2. Reporte de perfil de viento de altura con ruido poco intenso

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Figura 3.3. Reporte de perfil de viento de altura mostrando variación en la frecuencia del ruido.

3.7 Medición del ruido cósmico recibido El radar perfilador de vientos de la Universidad de Piura mide las velocidades de los vientos entre aproximadamente 2 a 25 km de altura; la señal recibida por la antena para este propósito se mezcla también con ruido e interferencias del exterior, incluyendo al ruido cósmico. Para mostrar la variación del ruido cósmico recibido por la antena se han tomado los datos de ruido arrojados por los reportes del radar a lo largo de un día con la antena en modo vertical. Los reportes se han generado cada 12 minutos, obteniendo en total 120 datos de ruido en 24 horas de medición constante durante el día 100 del 2005 (10/04/2005). Para este análisis primero se han tomado los valores de ruido correspondientes a los ecos recibidos desde los 7720 metros de altura. En la figura 3.4 podemos ver como el ruido varía a lo largo del día, teniendo su pico más alto (39.15 dB) aproximadamente a las 10:48 UT (38919 segundos UT) En la figura 3.5 se muestra el ruido medido para una altura de 9204 metros, y también en ella al igual que en la figura anterior, el pico más alto (39.05 dB) se da a las 10:48 UT (38919 segundos UT) Se observa que las formas de cada una de las dos señales anteriores son muy similares, ya que incluso los valores máximos ocurren al mismo tiempo para las dos gráficas. Para poder confirmar esto, se han superpuesto ambas gráficas (corrigiendo la escala de las ordenadas), y el resultado se muestra en la gráfica 3.6. Los picos presentes en las figuras 3.4 y 3.5 son debidos al ruido producido por la galaxia, la luna, las estrellas, el sol, etc.

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0 1 2 3 4 5 6 7 8

x 104

32

33

34

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37

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Tiempo UT (s)

Rui

do (d

B)

Día 100 - Año 2005Altura : 7720 m

Figura 3.4. Ruido medido durante 24 horas para una altura de 7720 m

0 1 2 3 4 5 6 7 8

x 104

31

32

33

34

35

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37

38

39

40

Día 100 - Año 2005Altura : 9204 m

Tiempo UT (s)

Rui

do (d

B)

Figura 3.5. Ruido medido durante 24 horas para una altura de 9204 m

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0 1 2 3 4 5 6 7 8

x 104

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

Día 100 - Año 2005Alturas : 7720 m. y 9204 m.

Tiempo UT (s)

Rui

do (d

B)

7720 m 9204 m

Figura 3.6. Ambas señales tienen formas de onda muy parecidas El ruido cósmico varía con la hora del día, con la estación del año y con otras condiciones climáticas. Es decir el ruido cósmico depende de la posición de la tierra respecto del sol (que es la estrella más cercana) y de las otras estrellas y satélites (como la luna). Este patrón de forma de onda se repite todos los días pero a medida que los días pasan la gráfica se va desplazando a lo largo del eje de las abscisas (eje horizontal), ya que la tierra va adoptando posiciones distintas a lo largo del año con respecto al sol, la luna y las otras estrellas. 3.8 Ruido e interferencia locales recibidos en el radar El radar de la Universidad de Piura ha venido presentando continuamente problemas de ruido e interferencias, especialmente con los datos obtenidos con el haz norte. Es decir muchas veces los datos de las velocidades de los vientos horizontales obtenidos con el rayo enviado hacia el norte se pierden debido al aumento del ruido. Pero este problema no solo se presenta con el rayo enviado hacia el norte, sino también en los datos del haz este y del haz oeste, llegando a existir una interferencia tan fuerte que opaca a la señal original. Cuando se visualizan los datos del radar perfilador de vientos, la interferencia se manifiesta como una banda de ancho más o menos constante presente en todas las alturas. Estas interferencias son originadas tanto por fuentes externas e internas, tales como la línea eléctrica, el propio sistema, PC’s del radar, etc.

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Figura 3.7. Medida de los vientos troposféricos en el Beam Norte

Figura 3.8. Medida de los vientos troposféricos en el Beam Sur.

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Figura 3.9. Medida de los vientos troposféricos Beam Oeste

Figura 3.10. Observación de la actividad ionosférica (Beam Norte)

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El ruido no solo se manifiesta a través de las mediciones de los vientos de altura, sino también a través de la línea eléctrica. Se ha monitoreado el comportamiento de la línea de alimentación utilizando un osciloscopio, los resultados muestran cómo la señal llega mezclada con ruido, lo que afecta el desempeño de los equipos. Esto se puede mejorar colocando filtros en los tomacorrientes, y además implementando una adecuada puesta a tierra.

Figura 3.11. Señal en la línea de Tierra de la alimentación eléctrica del radar En la figura anterior se muestra cómo la señal eléctrica de 60 Hz llega mezclada con otras señales de frecuencias más altas, lo que ocasiona ruido en los equipos. El comportamiento periódico de la gráfica anterior se debe a un oscilador presente en las PC`s del radar. Con la implementación de filtros adecuados y de una adecuada puesta a tierra, se espera solucionar este problema; ya que actualmente la puesta a tierra no está operando correctamente. En el capítulo 5 se abordará este tema y se planteará una posible solución. 3.9 Análisis de ruido presente en la señal del radar El ruido presente en la señal recibida por la antena del radar es de alta frecuencia, por lo tanto para poder medirlo es necesario contar con una frecuencia de muestreo muy pequeña. Según el Teorema del Muestreo:

máxS ω>ω 2 (3.1) donde:

Sω es la frecuencia de muestreo

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máxω es la máxima frecuencia de la señal a muestrear Las mediciones que se han hecho del ruido recibido por la antena del radar han sido hechas con un período de muestreo de 3.3 µs, es decir Sω = 303030.3 Hz. Esto se ha logrado configurando al radar para que la antena reciba un eco cada 3.3 µs, durante 656.7 µs; es decir en total se recibirán 200 ecos. Entonces por cada 200 ecos recibidos el radar genera un reporte que incluye entre otros datos los valores (en decibeles) de la señal y del ruido correspondientes a cada uno de los ecos recibidos. A partir de estos reportes se extraerán los valores de ruido que han sido recibidos por la antena del radar. La máxima frecuencia que se podrá analizar con este período de muestreo será igual a

maxω = 151515.15 Hz, la cual será suficiente ya que la señal original es del orden de las centenas de Hertz. El pulso de radiofrecuencia que envía el radar hacia la atmósfera tiene una frecuencia de 50 MHz, y dura 6.7 ms., el eco recibido por la antena debido a dicho pulso tiene una frecuencia de )50( f∆± MHz. Esta variación en la frecuencia )( f∆± , debido al efecto Doppler y por causa del movimiento del aire, es la que indica como varían las velocidades de los vientos en la atmósfera, y es sólo esa variación la que se analiza mediante las fórmulas del efecto Doppler. 3.9.1 Medición de la señal del radar Se han realizado 33 mediciones para poder obtener de esta manera una muestra confiable al momento de diseñar el filtro y estar seguros que realmente se logre "limpiar" la señal de las interferencias externas. En la figura 3.12 se muestra la medida del ruido a través del tiempo en la medida de los vientos para una altura de 15.14 km. Estos valores de ruido han sido extraídos de los reportes generados por el radar, como se ha explicado en el apartado anterior. En la figura 3.12 también podemos ver claramente que existen componentes de alta frecuencia que se mezclan con la señal original que es de baja frecuencia. Son estas componentes de alta frecuencia las que debemos eliminar, ya que no contribuyen con ninguna información útil, sino que ensucian la señal y hacen más difícil el análisis de los datos. El radar realiza mediciones de vientos de hasta 300.3 m/s para la ionosfera, lo que equivaldría a 100 Hz. Por tanto para el diseño del filtro debemos considerar una frecuencia de corte cercana a este valor, ya que las frecuencias que se encuentren más allá de los 100 Hz no son necesarias para el procesamiento de datos y son consideradas como ruido. En el siguiente capítulo se abordará el tema del filtrado de la señal que recibe el radar mediante el diseño de filtros digitales.

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0 1 2 3 4 5 6 7

x 10-4

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40

42

44

46

48

50

Tiempo (s)

Am

plitu

d (d

B)

Figura 3.12. La señal que recibe el radar se ve afectada por ruidos de alta frecuencia. Es necesario aclarar que estas medidas han sido realizadas en los dispositivos del radar (principalmente en el receptor) afectados por los ruidos e interferencias. Estos no fueron detectados en el espacio por algún equipo de medida, pues en la UDEP no se cuenta con los equipos necesarios, y por tanto no ha sido necesario tomar en cuenta alguna normatividad.