INGENIERIA DE RADIO ENLACES DIGITALES

CAPITULO I

PRINCIPIOS Y FUNDAMENTOS

1.1. ASPECTOS GENERALES

El concepto de radio enlace ha cambiado en la actualidad porque ya no es el medio de transmisión que solamente cursa servicios solo de telefonía, sino también gracias a la tecnología digital se puede cursar un abanico de servicios tales como telefonía, datos, video, telecontrol y telemando.

Las radio enlaces han evolucionado desde los enlaces de radio analógicos hacia los digitales trayendo consigo mejores prestaciones de flexibilidad, confiabilidad, crecimiento y planeamiento.

Las radio enlaces también deben operar dentro de determinadas bandas que estén de acuerdo con las normas internacionales reguladas por los organismos CCITT y CCIR que garantizan una correcta operación y aplicación.

•El radio enlace es un medio de transmisión que permite cursar servicios y enlaza plataformas de conmutación (Central telefónica)

•Los radio enlaces han evolucionado desde los radio analógicos hasta los digitales ofreciendo mejores prestaciones de flexibilidad, confiabilidad, crecimiento y planeamiento

•Los radio enlaces deben operar dentro de determinadas bandas asignadas que estén de acuerdo a las normas internacionales y también de acuerdo a la regulación interna del País

CONCEPTO DE RADIO ENLACE• cursar servicios de calidad en forma transparente tales como: telefonía, datos, video telesupervisión y telemando.• El equipo terminal esta compuesto por: antena ,alimentador, radio y multiplexor. •Los sistemas de radio de basan en el envío de ondas electromagnéticas a través del espacio libre para poder unir un equipo terminal con otro equipo terminal

Banda MUX B.B Radio Alimentador Antena

VHF 2 canales 64,128 Kbit/s PSK Coaxial Yagui

UHF PCM-30 canales 2 Mbit/s 4-PSK Coaxial Yagui

M.O Jerarquia digital 8,34,140 Mbit/s 16-QAM Guia de onda Parabolica

En la Fig.1.2.a se tiene un esquema típico de un radio enlace digital.

Fig. 1.2.a ESQUEMA TIPICO DE UN RADIO ENLACE DIGITAL

1.3. COMPARACIÓN ENTRE LOS SISTEMAS DE RADIO DIGITALES Y ANALÓGICOS

La transmisión de señales en forma digital ofrece indiscutibles ventajas respecto a los sistemas de transmisión tradicionales analógicos, a continuación se establece un cuadro comparativo con las diferencias mas relevantes entre los dos sistemas.

Tx RxB.B. B.B.

Tx RxB.B. B.B.

... ...

1. Una señal analogica varia su amplitud continuamente con el tiempo y por lo tanto es sensible a cualquier perturbación que se superponga durante la transmisión.

2. En un sistema de transmisión analógica cada repetidor retransmite y amplifica la señal recibida, por lo tanto el ruido es acumulativo.

3. Para la elaboración de una señal analógica es necesario el uso de circuitos que trabajan en zona lineal.

1. Una señal digital varia entre dos amplitudes fijas y definidas en el tiempo y por consiguiente es menos sensible a los ruidos que se pueden superponer durante la transmisión.

2. En un sistema de transmisión digital cada repetidor reconstruye la señal original, por lo tanto el ruido no es acumulativo.

3. Para la elaboración de una señal digital son suficientes circuitos no lineales que funcionan en ON/OFF.

4. Imposibilidad de transmitir en forma directa señales que nacen en forma digital. Salvo que se usen interfaces y convertidores de señal adicionales.

5. La banda base es una señal multiplexada en FDM

6. Requiere de mayor potencia de transmisión comparado con el sistema digital por lo tanto tiene mayor consumo de energía.

7. Posibilidad de integración entre los sistemas de transmisión y las centrales de conmutación, capaces de permitir que la señal telefónica sea tratada en forma analógica.

4. Posibilidad de transmitir señales que nacen en forma digital tales como datos de alta velocidad, video- telefonía, fax digital.

5. La banda base es un tren de pulsos digitales en PCM

6. Requiere de menor potencia de transmisión comparado con el sistema analógico por lo tanto tiene menor consumo de energía.

7. Posibilidad de integración entre los sistemas de transmisión y los centrales de conmutación, capaces de permitir que la señal telefónica sea tratada exclusivamente en forma digital.

8. En una ruta conformada por varios repetidores es dificil lograr flexibilidad por inserción y derivación.

9. Por su potencia de transmisión si tiene efecto sobre otros sistemas de radio por lo tanto es dificil establecer rutas multiples en diferentes direcciones.

10. La calidad de las señales analógicas transmitidas por radio enlaces si dependen del nivel de la portadora recibida.

11. Dificil integración con medios de transmisión óptico de alta capacidad de información.

8. En una ruta conformada por varios repetidores se logra flexibilidad por inserción y derivación.

9. Por su baja potencia tiene poco efecto sobre otros sistemas de radio por lo tanto es facil establecer rutas múltiples en diferentes direcciones.

10. La calidad de las señales digitales transmitidas por radio enlace no dependen del nivel de la portadora recibida hasta el nivel umbral.

11. Facil integración con medios de transmisión ópticos de alta capacidad de información.

Las señales eléctricas que contienen información se transmiten a través de una determinada distancia empleando una diversidad de medios de transmisión tales como par de alambres, cable multipar, cable coaxial, cable UTP, Sistemas de Radio y Fibras ópticas.

Una señal eléctrica es una forma de onda electromagnética caracterizada por una determinada frecuencia y longitud de onda que se encuentra dentro de una banda frecuencia del espectro electromagnetico y para cada banda se necesita utilizar un medio de transmisión adecuado.

A continuación se describe mediante un cuadro los diferentes medios de transmisión:

1.4 BANDAS DE FRECUENCIAS Y APLICACION

Medio de transmisión

Longitud de Onda

Banda de Frecuencia Aplicaciones

Fibras ópticas 3-0.3 µm

Ultravioleta Luz visible Infrarojo

102-103 THz

Telefonía de muy alta capacidad Servicios de banda ancha (SONET, SDH y ATM)Video conferencia, CATV por F.O.

Guías de Onda Línea Visual 1-0.1 cm

30-300 GHzExtremadamente Alta Frec. (EHF)

Comunicaciones militar por satélite, radioastronomía, sistemas de aterrizaje por radar.

Guías de Onda Línea Visual

10-1 cm3 -30 GHz

Super Alta Frec. (SHF)

Comunicaciones vía satélite, Radio microonda analógico, radio microonda digital y sistema de operación áerea por radar.

Onda Directa 100-10 cm

0.3-3 GHzUltra Alta Frec.

(UHF)

Video Difusión (UHF), telemetría por radar, comunicación militar por satélite, multiacceso radial UHF, radio PCM, multiacceso digital, telefonía celular, radio digital de espectro ensanchado.

Cable coaxial cable UTP (CAT5) Onda Directa

10-1 m 30-300 MHz Muy Alta Frec.

(VHF)

Video difusión (VHF), radio difusión FM, multiacceso radial VHF, sistema CATV, radio monocanal y radio enlace para cursar voz-datos.

Cable coaxial, cable UTP (CAT 3), cable UTP (CAT4), onda de cielo (reflexión inosferica)

100-10 m3-30 MHz

Alta frecuencia (HF)Radio aficionados, comunicaciones militares, radio telefonía móvil, y comunicación marítima.

Cable coaxialOnda de cielo (Reflexión ionosferica)

1,000 -100 m0.3-3 MHz

Frecuencia Media (MF)

Radio difusión AM, radio aficionados, unidades móviles, telefonía por cable coaxial de alta capacidad.

Par de alambresOnda de Tierra 10 - 1 Km

30 - 300 KHzbaja frecuencia

(LF)

Telefonía por onda portadora de mediana capacidad, navegación, industria de líneas de energía, radio faros y radio difusión de onda larga.

Par de alambresCable multiparOnda de tierra

100 - 10 Km3 - 30 KHz

muy baja frecuencia(VLF)

Telefonía por onda portadora de baja capacidad, navegación, radiotelegrafia.

Par de alambresCable multipar

1,000 - 100 Km

0.3 - 3 KHzfrecuencia de voz

(VF)

Telefonía, transmisión de datos, telex, fax.

Par de alambresCable multipar 10,000 - 1,000

Km.

30 - 300 Hzextremadamente baja frecuencia

(ELF)

Comunicación submarina

1.5 UNIDADES USADAS EN LOS SISTEMAS DE RADIO

En el campo de los radioenlaces usualmente se tiene que usar. Potencias de 10, para expresar los valores de potencia de transmisión y frecuencia de operación.

1.5.1. Unidades Lineales de Medición

Es la forma de expresar mediante unidades logarítmicas las magnitudes de los niveles de señal de los enlaces de radio.

Existen razones de peso que respaldan dicha elección, en primer lugar los logaritmos decimales expresan directamente el exponente de diez y por otro lado, el oído humano interpreta logaritmicamente las variaciones de la intensidad de sonido.

Otra razón de peso es que la medición y ajuste de los niveles de señal de los diferentes etapas de un radio enlace no se puede hacer mediante unidades lineales ya que los instrumentos que se usan en la practica tienen escalas de señal en unidades logarítmicas.

1.5.2. Unidades logarítmicas de medición

Es Belio se define como el rendimiento energético expresado en forma logarítmica. El nombre de Belio se adopto en honor a Alexander Graham Bell (inventor del teléfono)

EL DECIBELO (dB)

Belio = log Psal Pent

Pent ETAPA PsalAMPLIFICADORA

decibelio (dB) = 10 log Psal Pent

Cuando el rendimiento es en tensión.

Cuando el rendimiento es en corriente.

20 log Isal Ient

20 log Vsal Vent

Es necesario resaltar que si la cantidad de decibelios es positiva (+) la etapa es amplificadora (Ganancia) y si la cantidad de decibelios es negativa (-) la etapa es atenuadora (perdida).

EL NEPER ( Np)

VentVLnNp sal

El uso del Neper se encuentra mayormente en las líneas de transmisión para poder expresar perdida de señal en el recorrido de la línea.EL dBm

Es la expresión del rendimiento energético expresado en forma logarítmica cuando Pent es 1mw

Se define como el rendimiento de tensión expresado en logaritmo natural.

mwmwPdBmNro sal

1)( log10

Es el rendimiento de tensión expresado en forma logarítmica.

El dBV y dBv

Se supone que los impedancias de entrada y salida son iguales.

EL dBW

En este caso la referencia es potencia entrada de 1 Watt y se define como

VentVsaldBV log20

VentVsaldBv log20 VVent 707.0

VVent 1

WWPdBWdeNro Sal

1)( log10

Estas unidades tienen como referencia a 1 mv y 1µv respectivamente

EL dBmV y dBµV

mv 1)( log20 mvVdBmVdeNro Sal

v 1)( log20

vVVdBdeNro Sal

EQUIVALENCIAS Y CONVERSION DE UNIDADES RELACION PROCEDIMIENTO

dBNp NpdB dBWdBm dBmdBW dBdBm VdBv

VVdB

dBmV

mVdB

mWdBm

dBNp 115.01 NpdB 686.81

dBmdBW 300 dBWdBm 300

)()( entdBmSaldBmdB )1 ( log20 VenTensiónVdB

) ( log20 mVentensióndB

20/log VdBantiV

10/log dBmantimW

20/log dBantimV

1.5.3. Compensación de niveles por diferencia de impedancias

El nivel en dBv en un punto del circuito de transmisión donde la impedancia es 600 medido con un instrumento a la misma impedancia

El nivel en dBv en un punto del circuito de transmisión donde la impedancia es 75 medido con un instrumento a la misma impedancia

vEZPE 274.0.

dBvE

M775.0

log20600 1.a)

2.a) dBvE

M274.0

log2075

vEZPE 775.0.

1.- Para una potencia de referencia P = 1mW y 600Z

2.- Para una potencia de referencia P = 1mW y 75Z

Si la impedancia en el circuito de transmisión no es 600 ó 75 es necesario compensar de la siguiente manera:

1.b)Instrumento a 600 y punto del circuito diferente a 600

2.b)Instrumento a 75 y punto del circuito diferente a 75

600log10

775.0log20

ZEM

75log10

274.0log20

ZEM

1.6. PREGUNTAS Y PROBLEMAS RESUELTOS

1. Cuantas radiofrecuencias están presentes en un radio enlaceR. En un radio enlace se tiene dos radiofrecuencias una para la

transmisión y otra para la recepción con el objeto de realizar una comunicación Full-duplex

2. En que casos los radio enlaces tienen una sola radiofrecuenciaR. En el caso de que una comunicación este en el modo half- duplex.

3. Que tipo de alimentador se usa en los radioenlaces VHF,UHF y microondas.

R. Para VHF se usa cable coaxial que soporta la Banda VHF, Para UHF se usa cable coaxial que soporta la banda UHF,y para M.O se usa la guía de onda

PREGUNTAS Y RESPUESTAS

4. Como se explica que un radio enlace tenga dos radio frecuencias una para transmisión y otra para la recepción, y que ambas compartan la misma antena

R. En un radio enlace VHF y UHF tanto la transmisión como la recepción se conectan a una etapa que se llama duplexer y de aquí sale una sola conexión hacia la antena.En el caso de un radio enlace M.O. este etapa se llama circulador

5. Cual es la diferencia entre dipolo y reflector.R. El dipolo transforma la señal electromagnética del alimentador en

energía radiante. Todos los dipolos poseen lobulos de irradiación simétricos.El reflector se usa para provocar asimetría en los lobulos de irradiación del dipolo para poder conseguir antenas más directivas.

6. Hacer un cuadro de niveles típico recorriendo el camino de transmisión para un radio enlace digital de 2Mbit/s que une dos centrales telefónicas Públicas

4dBmNIVELINTERFASEFISICAIMPEDANCIA

-14dBm 2Mbit/s 27dBm -50dBm 2Mbit/s

6 Hilos C.Coaxial Guíaonda

Guía onda

6 HilosC.Coaxial

600 75 50 50 75 600

CENT.TELEF

123 MU X

30

TxCENT.TELEF

1 2 3 D E M U X 30

Rx

ITA

ITA: Interface Teléfono Abonado

NIVELINTERFASEFISICAIMPEDANCIA

2Mbit/s 8Mbit/s 27dBm -50dBm 8Mbit/s

C.Coaxial C.Coaxial Guía deonda

Guía deonda C.Coaxial

75 75 50 50 75

CENT.TELEF

Tx CENT.TELEF

Rx

2Mbit/s

C.Coaxial

75

1 M2 U X3 8M4

1MU 2 X 3 8M 4

7. Hacer un cuadro de niveles típico recorriendo el camino de transmisión para un radio enlace digital de 8Mbit/s que une dos centrales telefónicas públicas en forma digital.

PROBLEMA RESUELTOSPROBLEMA 1

Se tiene un transmisor de 100 WATTS que opera en la banda HF, con cable coaxial de atenuación de 1,7 dB/100m y una antena de ganancia de 10 dBi

a) Calcular la potencia radiada efectiva

SOLUCIÓN1.- Calculo de la potencia radiada efectiva Se calcula de acuerdo a la siguiente relación

2.- Conversión de Ptx a dBm

3.- Calculo de perdida en el cable

GLcPtxPRE

mdBxmLc

00 17.1 150 dBLc 55.2

mwPtxdBm

1log10

mwwdBm

1100log10

mwmwxdBm

110100log10

3

510log10dBm

50dBm

4.- Calculo de la potencia radiada efectiva en dBm

5.- Conversión de PRE a Watts

GLcPtxPRE 1055.250 REP

dBm 45.57REP

mwPRE1

log1045.57

)745.5log(1

antimwPRE

25.5559041

mwPRE

attsPRE w90.555

WPRE-310 x 25.555904

PROBLEMA 2

Dado un generador de audio calibrado en 0 dBm a 600 , 1 KHz

a) Determinar en mV, la señal que se recibe en un medidor de nivel si la medida es hecha a 600 .

b) Determinar en mV, la señal que se recibe en un medidor de nivel si la medida es hecha a 75 .

a.1.- Conversión de la potencia de salida del generador a Watts

SOLUCION

a.2.- Calculo del voltaje E

mW 1log 10 PO

mW 1log PO

)( log 1

OantimWP

mWP 1

WP 310

ZEP

2

ZPE

600 x 10 3E

vE 7745.0

mvE 5.774

a.3 .- Calculo del voltaje de la fuente del generador

b.1.- Calculo del voltaje Ex

7560075 54.1

xEx vEx 1721.0

Generador Medidor

600600600

7745.0

xEg vEg 549.1

Generador Medidor

b.2 .- Calculo de la potencia en la salida del generador en Watts

b.3.- Calculo de Px en dBm

75)1721.0( 22

ZExPx

mWPx 394.0

mwmw

1394.0log10

mwPx1

log10

04.4 dBm

394.0 log 10

Se tiene un transmisor en la banda UHF con una salida de potencia RF de 27 dBm.

a) Encontrar la configuración de atenuadores adecuada para que pueda ser medido con un Watímetro de rango 0 a -15dBm y no dañe el instrumento

PROBLEMA 3

Transmisor

2.-Elección de potencias de los atenuadores

Se descarta la opcion C ya que el nivel 12 dBm esta fuera del rango de 0 a -15 dBm y en consecuencia puede dañar el instrumento.

SOLUCIÓN 1.- Calculo de niveles en los puntos de cada atenuador

Transmisor

2.1. Nivel de Potencia en la entrada del primer atenuador

mWP

1log1027

mWP

1log7.2

7.2log1

antimWP

WP 5.0

Por lo tanto la opción a esta descartada ya que soporta solo hasta 0.2W 2.2. Nivel de potencia en la entrada del segundo atenuador

mWP

1log1017

mWP

1log7.1

7.1log1

antimWP

WP 050.0

Por lo tanto Solo queda la opción b.

PROBLEMA 4Es un sistema de recepción TV satélite, la unidad interna tiene una impedancia de entrada de 50 y el fabricante indica en su catalogo que el nivel de señal mínimo de entrada es de - 60 dBm

a) Cual es el nivel en Vb) Cual es el nivel en dBVc) Cual es la Potencia mW

a) Calculo de nivel en VSOLUCION

)10/( log dBmantimWNro

)10/60( log antimWNro610 1 xmWNro

Entonces: mWP 610

WP 910

Se sabe que ZP /V 2ZPV

91050 xV V410 x 2.236

VV 223.6

c) Calculo de la Potencia en mW

10 log dBmantimWNro

1060 log antimWNro

610 mWNro

mWP 610

b) Calculo del nivelen dBV

)6.223( log20dB VNro ) ( log20dB VenTensionVNro

47dB VNro VdBmentonces dB 4760