DOI:

https://doi.org/10.14483/23448393.2703

Published:

2000-11-30

Issue:

Vol. 6 No. 2 (2001): July - December

Section:

Science, research, academia and development

Cadcom, software para el diseño de radioenlaces. Fundamentos

Authors

  • Juan Carlos Gómez Universidad Distrital Francisco José de Caldas
  • Germán H Gonzáles Universidad Distrital Francisco José de Caldas
  • Jorge E Quiroga Universidad Distrital Francisco José de Caldas y Alcaldía Mayor de Bogotá

Keywords:

Diseño, radioenlaces, herramienta, automática, alternativa. (es).

References

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How to Cite

APA

Gómez, J. C., Gonzáles, G. H., and Quiroga, J. E. (2000). Cadcom, software para el diseño de radioenlaces. Fundamentos. Ingeniería, 6(2), 59–66. https://doi.org/10.14483/23448393.2703

ACM

[1]
Gómez, J.C. et al. 2000. Cadcom, software para el diseño de radioenlaces. Fundamentos. Ingeniería. 6, 2 (Nov. 2000), 59–66. DOI:https://doi.org/10.14483/23448393.2703.

ACS

(1)
Gómez, J. C.; Gonzáles, G. H.; Quiroga, J. E. Cadcom, software para el diseño de radioenlaces. Fundamentos. Ing. 2000, 6, 59-66.

ABNT

GÓMEZ, Juan Carlos; GONZÁLES, Germán H; QUIROGA, Jorge E. Cadcom, software para el diseño de radioenlaces. Fundamentos. Ingeniería, [S. l.], v. 6, n. 2, p. 59–66, 2000. DOI: 10.14483/23448393.2703. Disponível em: https://revistas.udistrital.edu.co/index.php/reving/article/view/2703. Acesso em: 17 apr. 2024.

Chicago

Gómez, Juan Carlos, Germán H Gonzáles, and Jorge E Quiroga. 2000. “Cadcom, software para el diseño de radioenlaces. Fundamentos”. Ingeniería 6 (2):59-66. https://doi.org/10.14483/23448393.2703.

Harvard

Gómez, J. C., Gonzáles, G. H. and Quiroga, J. E. (2000) “Cadcom, software para el diseño de radioenlaces. Fundamentos”, Ingeniería, 6(2), pp. 59–66. doi: 10.14483/23448393.2703.

IEEE

[1]
J. C. Gómez, G. H. Gonzáles, and J. E. Quiroga, “Cadcom, software para el diseño de radioenlaces. Fundamentos”, Ing., vol. 6, no. 2, pp. 59–66, Nov. 2000.

MLA

Gómez, Juan Carlos, et al. “Cadcom, software para el diseño de radioenlaces. Fundamentos”. Ingeniería, vol. 6, no. 2, Nov. 2000, pp. 59-66, doi:10.14483/23448393.2703.

Turabian

Gómez, Juan Carlos, Germán H Gonzáles, and Jorge E Quiroga. “Cadcom, software para el diseño de radioenlaces. Fundamentos”. Ingeniería 6, no. 2 (November 30, 2000): 59–66. Accessed April 17, 2024. https://revistas.udistrital.edu.co/index.php/reving/article/view/2703.

Vancouver

1.
Gómez JC, Gonzáles GH, Quiroga JE. Cadcom, software para el diseño de radioenlaces. Fundamentos. Ing. [Internet]. 2000 Nov. 30 [cited 2024 Apr. 17];6(2):59-66. Available from: https://revistas.udistrital.edu.co/index.php/reving/article/view/2703

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Ciencia, Investigación, Academia y Desarrollo

Ingeniería, 2001-00-00 vol:6 nro:2 pág:59-66

CadCom, software para el diseño de radioenlaces. Fundamentos

Juan C. Gómez

Germán H. González

Jorge E. Quiroga

Resumen

El diseño de radioenlaces tanto terrestres como satelitales involucra tal cantidad de variables de entrada (datos y criterios de diseño), pasos (ecuaciones para el cálculo de diferentes parámetros) y variables de salida (resultados) que necesariamente obligan al diseñador a hacer uso de alguna herramienta automática de diseño, más aun si para llegar al diseño final se requiere evaluar diferentes alternativas.

Palabras clave: Diseño, radioenlaces, herramienta, automática, alternativa.

Abstract

The design of radiolinks as much lands as satellites involves such quantity of entry variables (datas and designs criterions), steps (equations for the calculation of differents parameters) and starting variables (results), that necessarily obligate to designer to do use of some automatic tool of design, still more if by to obtain the finale design we require to evaluate differents alternatives.

Key words: Design, radiolinks, tool, automatic, alternative.


I. INTRODUCCIÓN

Tanto el proceso de enseñanza-aprendizaje como el desempeño profesional relacionado con la planeación, evaluación, cálculo y diseño de radioenlaces de línea de vista obligan al futuro diseñador o al diseñador mismo a interactuar con una cantidad considerable de conceptos, criterios de dideño, toma de desiciones, alternativas, etc. La integración adecuada de todas estas variables debe resultar en la mejor propuesta tanto técnica como financiera.

Motivados por esta razón los autores nos dimos a la tarea de concebir una herramienta de software que asista al proyectista en el ejercicio de diseño de radioenlaces terrestres y satelitales tanto análogos como digitales. Esta herramienta incorpora un elemento novedoso con respecto a otras que se ofrecen en el mercado. El software esta concebido de manera tal que además de asegurar resultados confiables dados los métodos de cálculo y ecuaciones de diseño que se utilizan, puede ser usado también como una muy importante ayuda para la enseñanza y el aprendiza je. CadCom 2.0 (Software para el cálculo de radioenlaces) combina entonces dos importantes escenarios: El académico y el empresarial.

En esta primera parte, Fundamentos, se presentan los conceptos teóricos, métodos de cálculo, criterios de diseño y ecuaciones de diseño sobre los que se sustenta el software desarrollado, y que son los elementos que garantizan la confiabilidad de los resultados y por lo tanto la proyección empresarial del programa.

II. PERFIL DEL TERRENO

El primer módulo del programa trata del cálculo de enlaces punto a punto de microondas terrestres, para cumplir con tal propósito es imprescindible tener en cuenta las características del terreno.

En la práctica cuando se va a diseñar un radioenlace se requiere conocer la posición geográfica de los dos puntos de interés. Es necesario tener un GPS (siglas en ingles de Global Position System o Sistema de Posicionamiento Global) y un altímetro. Obviamente, si la distancia es muy corta solo será necesario verificar la línea de vista desde alguno de los dos puntos. Para el caso en que la distancia es de varios kilómetros ( más de cinco) es recomendable el trazado del perfil del terreno.

Se desarrollo un algoritmo para tal propósito, el cual comienza calculando la distancia entre los puntos a enlazar.

El primer cálculo a realizar es la distancia entre los puntos. Para esto se desarrollo el siguiente procedimiento: Conociendo las coordenadas geográficas de los puntos, se implemento un sistema de coordenadas esféricas para luego obtener las coordenadas en el sistema rectangular, teniendo en cuenta que las coordenadas geográficas siempre son magnitudes positivas que se diferencian únicamente por la posición relativa al ecuador o al meridiano cero. Con las coordenadas en el sistema rectangular se encuentra una pareja de vectores, luego se halla el ángulo entre los dos vectores según la fórmula del producto interior escalar y con este ángulo se halla la distancia entre los dos puntos [1] según la fórmula:

donde:
S: distancia entre los puntos.
r: radio de la tierra, igual a 6378 Km.
α: ángulo entre los dos puntos cuya distancia se quiere hallar.

Una vez conocida la distancia entre los puntos y los datos del perfil del terreno es posible trazar el perfil del terreno.

No obstante resulta conveniente hacer las siguientes precisiones: puntos con alturas absolutas no significativas, por efecto de la curvatura de la tierra, podrán ver incrementadas sus alturas relativas; el índice de refracción de la troposfera varia con la altura, por lo tanto las ondas electromagnéticas que se propagan a través de ella se curvan, lo cual puede interpretarse como que la tierra tiene un radio equivalente mayor o menor que su radio real. Estos aspectos fueron considerados para el trazado del perfil [1].

2.1 Zonas de interferencia

Las zonas de interferencia son las partes del espacio en las que se presentan adición o cancelación de campos eléctricos o magnéticos. Este tipo de interferencia se presenta generalmente para sistemas de difusión que utilizan antenas de baja ganancia como estaciones de radiodifusión de A.M comercial. En la figura 1 se puede observar que en el punto P convergen dos rayos, el directo y el reflejado.

Por lo tanto en este punto la intensidad de campo puede resultar mayor que la que se obtendría bajo condiciones de propagación en espacio libre, o por el contrario el campo recibido puede resultar completamente nulo [1].

Los puntos P pueden generar diagramas conocidos como diagramas de cubrimiento, los cuales muestran las zonas de interferencia constructivas y destructivas en función de la distancia, como se muestra en la figura 2.

2.2 Zonas de difracción

Las zonas de Fresnel son en realidad una extensión de un problema de difracción más complejo debido a bordes afilados, cuando sobre estos inciden ondas planas. La solución en este caso es una integral de Fresnel [2].

La solución a este problema permite concluir que se pueden obtener ganancias con respecto a la magnitud de la intensidad de campo eléctrico en el espacio libre, si se logra liberar entre 0.8 y 1.6 zonas o radios de Fresnel. En la práctica se pueden utilizar valores de zonas de Fresnel a liberar entre 0.6 y 0.8 para salvar obstáculos, o radios mayores para contrarrestar los efectos de los desvanecimientos. En esta versión de CadCom los cálculos de propagación consideran únicamente liberación de la primera zona de Fresnel en un 100%.

En CadCom, para el trazado de perfiles, se especifican el valor de las zonas de Fresnel a liberar para luego sumarlo a los valores de altura y curvatura de la tierra, asi como el factor K y la frecuencia de operación. Una vez obtenido el perfil del terreno, el segundo paso a realizar es determinar la línea de vista óptima que garantice mínima altura de antenas así como el despeje de las zonas de Fresnel especificadas [1].

2.3 Puntos de reflexión

Una vez determinadas las alturas de las antenas es necesario analizar los puntos donde pueden producirse reflexiones ya que siempre es conveniente que estas ocurran en regiones donde la energía reflejada tienda a dispersarse.

Pueden existir múltiples puntos de reflexión sobre el terreno, los cuales deben ser considerados. CadCom obtiene estos a partir de la ecuación de la recta que describe el terreno en dichos puntos [1].

El programa cuenta con botones de aumento-disminución de las alturas de las antenas para hacer las correcciones a estas, de manera que puedan minimizarse los efectos de las reflexiones en el punto de recepción.

III. ESTACIÓN DE TRANSMISIÓN

Después de analizar como CadCom 2.0 realiza el trazado del perfil, es conveniente analizar las partes de transmisión y recepción que conforman los puntos terminales.

Una estación de transmisión consta en general de tres partes fundamentales:

  1. Cabina: Aquí se encuentran los radiotransmisores y radiorreceptores.

  2. Torre: Aquí se colocan los diferentes tipos de antenas.

  3. Antena de transmisión-recepción. Pueden ser antenas de microondas o de cualquier otro tipo.

En la cabina se encuentran los aparatos necesarios para la transmisión y la recepción. Generalmente estos aparatos son de tipo digital y trabajan sobre jerarquías sincrónicas (SDH) o plesiócronas (PDH), con velocidades superiores a los 100 Mbps. Estás cabinas tienen control de temperatura para garantizar el correcto funcionamiento de los radios. Es usual que estas cabinas tengan algún tipo de cerradura electrónica para impedir el paso de personal no autorizado. En el interior se encuentran el conjunto de baterías de resguardo con autonomía generalmente de ocho horas así como los deshidratadores de guías de ondas (si son necesarios), y los transmisores-receptores de radio.

3.1 Transmisores

Los equipos encargados de la transmisión y recepción de las señales de microondas se encuentran generalmente en forma de distribuidores tipo rack, en los cuales están los accesos para los canales.

Los transmisores son especificados de acuerdo a la siguiente lista de características:

  • Capacidad de transmisión: Se pueden encontrar con capacidades de 155 Mbps en modo sincróno y 140 en modo asincróno. Por encima de esta capacidad se suele usar fibra óptica.

  • Frecuencia intermedia: Es el valor de frecuencia intermedia asociada a los procesos de conversión hacia arriba o hacia abajo requeridos para transmitir o recibir una señal. El valor de potencia tanto de entrada como de salida suele ser de 1mW.

  • Bandas de frecuencia: Es el intervalo de frecuencias en que trabaja el equipo en el rango de microondas.

  • Estabilidad: Es el número en partes por millón en que la frecuencia se desvía de su valor nominal. Por ejemplo 10 ppm se interpreta como que por cada Mhz la frecuencia se desvía 10 Hz.

  • Nivel de salida de RF: Este valor de potencia se escoge de acuerdo a las recomendaciones del CCIR dependiendo de la longitud del enlace. Este valor puede variar entre 300 a 700 mW para enlaces terrestres.

  • Figura de ruido: Generalmente este valor oscila entre 3 y 5 dB.

  • Tipo de modulación: Dependiendo de la tecnología esta puede ser modulación digital tradicional o TCM.

  • Sistemas de supervisión: Número y tipo de subsistemas de resguardo. Pueden ser 1+0, 2+0 o 1+1, 2+1, etc.

  • Voltaje y potencia de alimentación: Los valores típicos son de 125/240 V y potencia de 300 W.

  • Rango de temperatura: Entre -5°C y 45°C.

3.2 Guías de ondas

Las guías de ondas más usuales en este momento son las de sección transversal elíptica flexibles. Estas guías generalmente se especifican por el valor de la frecuencia central de trabajo, ancho de banda y atenuación por cada 100 metros. Pueden especificarse también la potencia máxima que puede transportar y la velocidad de grupo.

3.3 Accesorios

Entre los accesorios más usuales están: Tierras, atenuadores, giradores, sujetadores y supresores de picos o descargas producidas por rayos. Estos últimos generalmente poseen un gas interior que a determinado valor de tensión se convierte en conductor y aterriza las descargas.

Usualmente cuando se habla de protección de equipos se hace referencia también a los equipos que permanecen en funcionamiento latente y que entran en actividad en el momento en que el equipo principal sale del aire. Para hacer esto posible se requiere algún tipo de conexión a la guía de onda principal por medio de algún girador. Las pérdidas de inserción están entre 0.1 y 0.6 dB y se deben sumar a la atenuación que introduce la guía de onda. Se utiliza una notación que describe el número de equipos principales y el número de equipos de resguardo, por ejemplo: 2+1 significa que existen dos equipos principales y uno de resguardo.

Otros accesorios son las cargas terminales que se utilizan cuando uno de los transmisores no dirige su potencia hacia la antena y no se puede apagar por lo que la potencia debe dirigirse hacia una carga fantasma. Esto puede ocasionar un aumento de la VSWR en el sistema.

Además de lo anterior es necesario por reglamentación utilizar tres tierras en el tramo de conexión entre la antena y el terminal de la guía de onda. La primera tierra se ubica cerca del empalme de la guía con la antena, la segunda en la mitad del tramo, usualmente hacia la torre y la tercera antes de llegar a la cabina. En regiones altamente lluviosas se recomienda el uso de más tierras ya que los equipos no están garantizados contra malos manejos o descargas eléctricas.

3.4 Antenas

Como aquí tratamos con enlaces punto a punto se requieren antenas altamente directivas. Esto se logra utilizando antenas tipo arreglos lineales de dipolos (antenas yagi) o antenas de apertura (reflectores parabólicos), siendo las más usadas cuando se demandan ganancias de más de 20 dB estas últimas.

En la actualidad existen tres métodos para el cálculo de los patrones de radiación de las antenas de apertura:

  1. El primero utiliza la distribución de corriente sobre la superficie de la antena, este método es el método general en el que se tiene muy en cuenta la geometría de la antena, sin embargo, el problema con esta técnica radica en el conocimiento de la distribución de las corrientes en la superficie de la antena.

  2. El segundo método es el denominado principio de equivalencia de campo en el cual se pueden sustituir las fuentes de campo por dos tipos de corrientes: Corrientes eléctricas J es = n x (H2 - H1) y corrientes magnéticas J ms = - n x (E2 - E1). Estas corrientes generan la misma distribución de campo que la distribución de corriente real.

  3. El tercero supone una distribución de campo tangencial en la apertura y hace uso de la transformada de Fourier para calcular el campo en la zona lejana. El patrón de radiación de una apertura circular (puede ser una antena parabólica o una bocina circular) suponiendo que detrás de la pantalla existe una onda plana perpendicular a la superficie simulando así un reflector parabólico, puede hallarse según este método a partir de la transformada de Fourier bidimensional[1] [2]. Esta técnica permite entonces conociendo el campo tangencial sobre la apertura, calcular el patrón de radiación generado por la misma. En caso de distribuciones de campo complicadas se puede obtener el patrón de radiación de cualquier forma de apertura aplicando métodos numéricos de integración.

Para la síntesis de patrones de radiación se acostumbra modelar la forma como se distribuye el campo eléctrico en la apertura, teniendo en cuenta la atenuación que sufre el campo eléctrico en los bordes de la apertura con respecto al centro de la antena. Es importante también la velocidad con la que el campo eléctrico disminuye desde el centro hacia los bordes de la apertura. En el módulo Síntesis de antenas de CadCom 2.0, presionando adecuadamente el botón A se puede seleccionar la atenuación que se desea y con el botón n la velocidad, pudiendo obtenerse de esta manera diferentes patrones de radiación.

Para radioenlaces punto a punto de microondas terrestres donde se utilizan reflectores parabólicos, las antenas estándar están diseñadas de forma tal que la atenuación en los bordes con respecto al centro es de - 10 dB.

De esta forma se garantiza una buena distribución de campo sobre la apertura ya que el valor de campo promedio es mayor sobre prácticamente la totalidad de la superficie de la apertura. Con estas condiciones de distribución se obtienen lóbulos laterales menos pronunciados que con una distribución de campo uniforme [3] pero el ancho del lóbulo principal es mucho mayor. En los enlaces satelitales es muy importante que los lóbulos laterales sean pequeños ya que la separación entre satélites es de 1 a 2 grados por lo que si el patrón posee lóbulos laterales significativos estos podrán captar energía proveniente de otros satélites e interferir a la señal deseada.

3.5 Tipos de antenas

Como es de suponerse existen diferentes tipos de antenas de acuerdo a los tipos de aplicación. Las más comúnmente usadas son:

  • Prime Focus: Es la más frecuentemente usada, de ella se desprenden dos más:
    1. Estándar: Es una de las más sencillas de fabricar. Constan de un alimentador y del reflector, fabricados ambos en aluminio. La teoría se ajusta en un 100 % a este tipo. Son las de menor precio.



    2. De plano focal: Esta antena tiene el borde irregular, lo que permite por interferencia destructiva disminuir los lóbulos laterales. Obviamente la relación front-to-back es mayor en este tipo de antena pero no es recomendado para torres con una gran cantidad de reflectores.


  • Alta y ultra alta realización: Posee una extensión cilíndrica que procura anular los lóbulos laterales. Para un funcionamiento perfecto la extensión del cilindro debe ser el doble del diámetro de la parábola, pero para propósitos prácticos se reduce a un cuarto. Generalmente se utiliza un radome para evitar que el viento desvíe la antena. La discriminación de polarización de este tipo de antena es bastante alto, generalmente de más de 30 dB.


  • Antenas de grilla: Es el diseño más pobre y por lo tanto más económico de todos, sin embargo combina adecuadamente diferentes aspectos. Se apoya en la propiedad de que las ondas electromagnéticas no pueden atravesar orificios menores a su longitud de onda. Una propiedad importante de esta antena radica en que ofrece muy poca resistencia al viento por lo que su desalineación es prácticamente nula.

IV. EL MEDIO DE PROPAGACIÓN

4.1 Pérdidas por espacio libre

Lo primero que es necesario calcular en un enlace vía radio son las pérdidas por espacio libre. Si se considera un radiador isotrópico, las pérdidas por espacio libre estarían dadas por:

Generalmente este valor se expresa en decibeles. Sin embargo este no es el único factor de pérdidas relevante que están presentes en el medio de transmisión, deben considerarse además la atenuación que introducen la lluvia y los gases atmosféricos.

4.2 Atenuación por lluvia

Quizá uno de los tópicos en que los investigadores han concentrado más sus esfuerzos ha sido el de determinar la atenuación que produce la lluvia sobre la propagación de las ondas centimétricas. En el programa se han tenido en cuenta dos modelos de atenuación por lluvia: El primero [4] desarrollado por Roderic L. Olsen, David V. Rodgers y Daniel B. Hodge en 1977 y el segundo [5] y más usado desarrollado por Robert K. Crane en 1979.

4.2.1. Modelo de Olsen. Generalidades

Debido a su simplicidad la relación empírica A = aR exp. b entre la atenuación específica A y la rata o razón de lluvia R es frecuentemente usada en el cálculo de la atenuación por lluvia. Los valores a y b están disponibles pero solo para un número limitado de frecuencias. Alguno de estos valores fueron obtenidos experimentalmente y pueden contener errores debido a limitaciones en las técnicas experimentales empleadas.

4.2.2. Modelo de Crane. Generalidades.

Este modelo se usa para la predicción de la atenuación por lluvia para enlaces tierra-espacio. El modelo ha sido desarrollado usando observaciones geofísicas de la estructura horizontal de la lluvia y de la temperatura vertical de la estructura de la átmosfera. El modelo fue validado comparándolo con diversas mediciones.

Los resultados muestran excelente concordancia con la práctica. Las observaciones difieren de las predicciones por menos de las desviaciones rms.

En el programa se cuenta con un algoritmo que calcula estás pérdidas en función de la frecuencia de trabajo, razón de lluvia y tipo de polarización según el modelo seleccionado.

4.3 Atenuación por gases

Otro de los factores importantes que debilitan la señal es la atenuación que esta sufre a su paso por la atmósfera como consecuencia de la absorción de los gases. El principal efecto es la absorción de energía por parte del vapor de agua presente en la troposfera. El agua es un medio dieléctrico que genera dispersión de energía.

Para el cálculo de la atenuación por gases se deben considerar dos fuentes principales. La primera es la debida al contenido de agua en el aire, generalmente expresado en gramos por metro cúbico, y la atenuación por el oxigeno. Se recuerda que este tipo de medios dieléctricos generan la conocida rotación de Faraday por lo que la atenuación estaría asociada también a este efecto.

En CadCom, teniendo en cuenta que el comportamiento de la atenuación por gases es bastante complejo entre las frecuencias de 20 a 60 Mhz, se utilizan los polinomios de Lagrange para modelar dicho comportamiento [1], incorporando entonces estás pérdidas a los cálculos de propagación en el caso de los enlaces satelitales.

4.4 Fuentes de ruido externo

Además de la atenuación que sufre la señal en su recorrido por la atmósfera existen otros factores que degradan la señal. Entre ellos tenemos las descargas eléctricas y las fuentes de temperatura naturales. Para determinar la temperatura de un punto en el espacio se puede utilizar la siguiente fórmula:

V. RECEPCIÓN

5.1 Temperatura de antena

Sobre la superficie de una antena receptora pueden incidir tanto señales provenientes del transmisor al cual la antena esta enlazado como de otras fuentes de radiación electromagnética, estás últimas inducirán en los conductores que forman la antena corrientes y voltajes ajenos a la información que se desea recibir por lo que pueden ser considerados y tratadas como ruido.

Lo anterior se conoce como temperatura de ruido en antenas. La temperatura de ruido depende entre otros factores de la inclinación de la antena, si a lo anterior le agregamos que las fuentes de ruido son diversas nos enfrentamos al problema de que el cálculo de la temperatura de ruido de una antena es bastante complicado, no obstante es posible hacer la siguiente consideración: Un valor de temperatura de ruido para una antena colocada a 90° desde el cenit puede ser de 100 k, entonces antenas con ángulos menores tendrán una menor temperatura de ruido [1].

5.2 Figura de ruido

Otro parámetro importante en la descripción de los radiorreceptores es la figura de ruido. Supongamos que tenemos un amplificador de ganancia A con una señal de entrada con potencia Pa, a este amplificador le entra también una señal de ruido externo con potencia Pn, entonces la figura de ruido será igual a la razón entre la relación señal a ruido a la entrada y la relación señal a ruido a la salida.

Para un sistema en cascada la figura de ruido del sistema depende altamente de la figura de ruido de la primera etapa si la ganancia de las etapas siguientes son grandes, de aquí la importancia de que la etapa primera de amplificación por ejemplo en los receptores para comunicaciones satelitales este constituida por amplificadores de bajo ruido [1].

Teniendo en cuenta lo anterior se esta en capacidad de hacer los cálculos de potencia de ruido total con el que se obtendrá el valor de umbral de recepción en aras de poder hallar luego la relación portadora a ruido total del sistema [1].

VI. ESQUEMAS DE MODULACIÓN

El dato último que se requiere para realizar los cálculos que conllevan al diseño de un sistema de comunicaciones por microondas es la relación portadora a ruido, y esta depende del esquema de modulación seleccionado, tanto en radio analógico como digital. No resulta ocioso recordar que existe una contradicción entre eficiencia espectral e inmunidad ante el ruido que debe ser considerada para estos cálculos. Así tenemos : En la medida que se aumenta la eficiencia espectral al usar esquemas de modulación de más alto nivel, el radio se hace menos inmune al ruido, lo cual demanda mayores relaciones portadora a ruido y por lo tanto más ganancia en el sistema [1].

VII. ECUACIÓN DEL ENLACE

El último requerimiento necesario para realizar los cálculos correspondientes a un enlace de microondas es la ecuación del enlace. Los datos que se deben tener en cuenta han sido tratados en los puntos anteriores.
La ecuación de diseño del enlace en dB toma la forma:

  • Pt: Es la potencia del radiotransmisor, está potencia puede variar desde 11dBm hasta 37dBm. Los valores de potencia no pueden escogerse al azar ya que los fabricantes están limitados a valores preestablecidos por el CCIR.

  • At: Es la atenuación de la guía de onda que conecta al transmisor con la antena. El valor de la atenuación se específica generalmente en dB por cada 100 metros.

  • Lb: Son las pérdidas por inserción (branching) de equipos de resguardo (por ejemplo giradores). El valor de atenuación puede variar de 0.1dB a 0.6 dB por elemento insertado.

  • Gt: Es la ganancia de la antena transmisora.

  • Lali: Es la pérdida debida a la no-alineación de la antena en su montaje o la no-alineación que produce el viento al chocar contra la antena.

  • Ld: Son las pérdidas por espacio libre vistas anteriormente.

  • La: Es la suma de la atenuación por lluvia y la atenuación por gases atmosféricos.

  • Gr: Es la ganancia de la antena receptora. Generalmente se asume que las ganancias de las antenas transmisora y receptora son iguales.

  • Ar: Es la atenuación de la guía de onda que conecta al receptor con la antena. El valor de atenuación se específica generalmente en dB por cada 100 metros.

  • Aad: Son las pérdidas adicionales del sistema.

  • Pueden incluir los valores de pérdidas de inserción y el valor de margen de diseño que puede tomarse entre 1 y 2 dB.

  • Pr: Es la potencia recibida, y es medida a la entrada del amplificador del radio.

VIII. UMBRAL DE RECEPCIÓN

El umbral de recepción se define como el valor de potencia de ruido del sistema a la entrada del equipo amplificador o convertidor más la relación portadora a ruido, en dB, está suma se expresaría así:

Si la potencia umbral es igual al nivel de potencia recibido según la ecuación (6.0), entonces se está cumpliendo con todas las condiciones impuestas al diseño, sin embargo, debe considerarse además el valor de atenuación por lluvia, pues en caso de que esta se presente no estarán garantizadas los requerimientos para una recepción confiable. Por lo tanto, para superar este problema, la potencia que se requiere en la recepción debe ser mayor que el valor umbral, de manera que se cuente con un margen de seguridad.

IX. DESVANECIMIENTOS

A la diferencia entre el valor de potencia recibida y el valor del umbral de recepción se le denomina ventana de desvanecimiento o margen de desvanecimiento. Hallando las pérdidas producto de la lluvia encontramos el margen de desvanecimiento en dB y con este la disponibilidad del enlace.

X. DISPONIBILIDAD

La disponibilidad es el porcentaje de tiempo sobre un año en el cual un enlace de microondas terrestre o satelital está al aire. Generalmente en Colombia se trabaja con disponibilidades de 99.9999%, esto significa que el radioenlace estará fuera del aire por un total de 31.5 segundos en todo el año. El valor de la ventana de desvanecimiento y la no-disponibilidad (1 - disponibilidad) se pueden relacionar mediante el valor de atenuación por lluvia así:

donde:

F: margen de desvanecimiento

At0.01: atenuación por lluvia para una indisponibilidad del 0.01% del año.

P: indisponibilidad.

Para el cálculo de la indisponibilidad P, se utiliza un método e aproximación continua que genera el valor de P para luego obtener el valor de disponibilidad total del sistema.

Para hallar el nivel de lluvia para una probabilidad de 0.01% se utilizan los mapas de zonas [1].

XI. ENLACE SATELITAL

En general un radioenlace de microondas satelital para comunicaciones consta de tres módulos fundamentales, siendo estos:

Estación terrena transmisora, satélite (repetidor activo en el cielo) y estación terrena receptora, y dos enlaces: Enlace ascendente (estación terrena transmisora - satélite) y enlace descendente (satélite - estación terrena receptora) [6]. El cálculo del enlace involucra entonces los siguientes parámetros:

XII. PARÁMETROS DE CÁLCULO

12.1 Relación G / T

Es la figura de mérito de la estación terrena. Relaciona la ganancia total del receptor de la estación terrena con el ruido total del sistema en el flange de la antena, para diferentes niveles de inclinación de la misma. Es usual expresar este parámetro en dB [1]. Conociendo el valor de G / T y conociendo el valor de ruido del sistema se puede calcular el diámetro de la antena de la estación terrena.

12.2 PIRE

Potencia isotrópica radiada efectiva. Este parámetro se obtiene de los mapas de huella o pisada de cada uno de los satélites en órbita (footprint) [1].

12.2.1. Relación portadora a ruido (C / N)

Esta relación no solo involucra la cantidad de ruido presente en el sistema sino que además debe considerar la interferencia de canales adyacentes o las señales procedentes de otros satélites [1].

12.2.2. Pérdidas por espacio libre (Ld)

Debido a la gran distancia a la que se encuentran los satélites es necesario hacer un cálculo exacto de la distancia entre la estación terrena y el vehículo espacial, para esto es necesario saber las coordenadas de la estación terrena y la posición del satélite [1]. Estas pérdidas son del orden de los 200 dB tanto para el enlace ascendente como para el enlace descendente.

Otros datos relevantes asociados a la ubicación de la estación terrena y a la posición orbital del satélite son los ángulos de vista: Elevación y acimut. Estos ángulos permiten apuntar la antena hacia el satélite de interés [1].

12.2.3. Atenuación por lluvia (L1)

Este es un parámetro muy importante para el diseño de radioenlaces satelitales que operen en banda Ku (12 a 18 GHz). Para el modelamiento de esta atenuación se sigue una variante del modelo Crane [1].

12.2.4. Atenuación por gases (L 2)

Es conveniente estimar adecuadamente estás pérdidas [1] pues pueden adicionar algunos decibeles de atenuación que deben ser considerados para dimensionar adecuadamente el enlace. Esta atenuación depende del ángulo de elevación de la antena de la estación terrena, por esta razón se recomiendan ángulos de elevación mayores a 5° ya que ángulos menores suponen recorridos muy largos de las ondas a través de la atmósfera terrestre.

12.2.5. Aporte de ruido del enlace ascendente

La relación portadora a ruido del enlace completo es función tanto de la relación portadora a ruido del enlace ascendente como de la del enlace descendente, sin embargo, la relación portadora a ruido que más contribuye a la relación portadora a ruido total es la del enlace descendente. Entonces se suele expresar la contribución al ruido del enlace ascendente como una pequeña cantidad que oscila alrededor de 0.5 dB [1]. 12.2.6. Back-off (B)

El tubo de ondas progresivas (TWTA) que haces las veces de amplificador de alta potencia en el transmisor del satélite es un dispositivo con una respuesta no lineal y por lo tanto tiende a distorsionar la señal cuando trabaja cerca de su potencia de salida máxima. En aplicaciones donde no es tolerable la distorsión por intermodulación es necesario excitar al TWTA con niveles de potencia de entrada menores de manera que el mismo trabaje en su zona lineal evitando así los productos de intermodulación [1].

12.2.7. Δ de temperatura

Es el incremento en la temperatura de ruido del sistema debida a la lluvia [1]. Este incremento de temperatura también va acompañado de una despolarización de la señal, no obstante este valor es muy pequeño para ser considerado.

12.2.8. Ganancia de antena

Este es el valor de ganancia de las antenas en decibeles [1]. Debe tenerse en cuenta que para el caso de los enlaces satelitales la eficiencia de iluminación de los reflectores parabólicos son mucho mayores que para el caso de las antenas utilizadas en enlaces de microondas terrestres. Estos valores de eficiencia pueden variar desde 65% a un 80% en configuraciones Cassegrain o Cornupia. El programa trae una ventana de opciones que permite hacer el cálculo de este tipo de antenas.

12.2.9. Ecuación del enlace

Con lo visto anteriormente es posible hacer el cálculo de relación G/T usando la siguiente ecuación:

El valor Mo se interpreta como un valor de margen en el diseño y su valor práctico es de 1 dB.

El último dato para hallar es la temperatura de ruido del sistema dada por:

Donde TA es la temperatura de la antena [1], TLNB es la temperatura del bloque amplificador de bajo ruido.

Una vez hallada TA es posible calcular la ganancia de la antena por igualación y finalizar así los cálculos correspondientes a esta parte del programa.

XIII. CONCLUSIONES

Se han tratado de manera bastante resumida los fundamentos teóricos, criterios de diseño, ecuaciones de diseño y los métodos de cálculo que constituyen la base de los tres módulos que conforman el software.

Especial cuidado se tuvo a la hora de escoger los modelos para calcular las pérdidas producto de la lluvia, pues estas se hacen bien importantes en la medida que la frecuencia aumenta, llegando a ser significativas en banda Ku.

Una atención muy importante mereció también el tratamiento de la temperatura de ruido en antenas, dada la contribución de esta al ruido total del sistema, especialmente en comunicaciones satelitales.

Finalmente el rigor conque fueron considerados los aspectos anteriores garantizan el uso de CadCom en un escenario empresarial con resultados confiables, tal y como ha venido ocurriendo; además de recrear en el aula situaciones muy parecidas a la que se encuentran en las aplicaciones prácticas.

XIV. REFERENCIAS

[1] González Germán H. y Quiroga Jorge E., Software para el cálculo de radioenlaces, Tesis de grado, Facultad de Ingeniería, Universidad Distrital. 1997.

[2] Apóstol Tom M., Calculus Vol 2, Editorial Reverte Colombiana S.A. 1988, segunda edición.

[3] Balanis Constantine A., Antenna Theory: Analysis and Design, John Wiley and Sons Inc. 1982

[4] L. Olsen Roderic, Rogers David V. and Hodge Daniel B., IEEE transactions on antennas and propagation, Vol. AP - 26, No 2, marzo de 1978, páginas 318 - 328.

[5] Crane Robert K., Prediction of Attenuation by Rain, IEEE transactions on communications, Vol. com 28, No 9, septiembre de 1980, páginas 1717 - 1733.

[6] H Tri T., Digital Satellite Communications, Mc Graw Hill International Editions. USA 1990, segunda edición. Crane Robert K., Prediction of Attenuation by Rain, IEEE transactions on communications, Vol. com 28, No 9, septiembre de 1980, páginas 1717 - 1733.

Juan Carlos Gómez Paredes.
Ingeniero en Telecomunicaciones, Instituto Superior Politécnico "José Antonio Echeverría" (ISPJAE), ciudad de la Habana, Cuba. Esp. Computadores Aplicados a la Enseñanza de la Ingeniería., (ISPJAE) Universidad de la Habana, Msc. Sistemas de Transmisión por Fibras Ópticas (ISPJAE) - Universidad de la Habana. Profesor del Proyecto Curricular de Ingeniería Electrónica y de la Especialización en Comunicaciones Móviles, Facultad de Ingeniería,Universidad Distrital. jcgomez95@hotmail.com

Germán H. González.
Ingeniero Electrónico. Universidad Distrital.

Jorge E. Quiroga.
Ingeniero Electrónico. Universidad Distrital.


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