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• Jose G. Torres

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Índice Unidad 3.Comunicaciones inalámbricas ............................................................................ 2 Presentación .................................................................................................................. 2 Propósitos ...................................................................................................................... 5 Competencia específica ................................................................................................. 5 Comunicaciones inalámbricas........................................................................................ 6 Antenas, propagación y cálculos de enlace ....................................................... 6 Actividad 1. Conectando sin cables............................................................................. 16 Actividad 2. ¿Por qué no tengo señal? ......................................................................... 26 Uso del espectro de radiofrecuencia ............................................................... 26 Actividad 3. Las comunicaciones el día de mañana ..................................................... 30 Enlaces terrestres .......................................................................................... 31 Enlaces satelitales.......................................................................................... 32 Tecnología celular ................................................................................................. 39 Antecedentes y evolución............................................................................... 39 Generaciones y tecnología GSM .................................................................... 40 Otros servicios ............................................................................................................. 41 Telefonía ........................................................................................................ 42 Radiodifusión y TV ......................................................................................... 44 Evidencia de aprendizaje. Analizando los alcances ..................................................... 47 Autorreflexión ............................................................................................................... 47 Cierre de la unidad ....................................................................................................... 48 Para saber más............................................................................................................ 49 Fuentes de consulta ..................................................................................................... 51

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Unidad 3.Comunicaciones inalámbricas

Presentación En este momento comenzarás la etapa final del curso de comunicaciones digitales mediante el estudio de las comunicaciones inalámbricas y las características de este medio de comunicación que forma parte importante de la tecnología que empleamos hoy en día. También serán de gran utilidad los conceptos y la teoría que estudiaste a lo largo de todo el curso completo, asimismo podrás comparar también las características del medio inalámbrico con los medios guiados estudiados en la Unidad 2. Por otro lado es importante el conocimiento de otras asignaturas que has cursado tales como circuitos eléctricos, física y ecuaciones diferenciales. Uno de los temas esenciales de esta tercera unidad, dentro del estudio de la propagación de las ondas de radio, es el análisis y aplicación de las ecuaciones de pérdidas de una onda electromagnética que viaja por el espacio para lo cual realizarás ejercicios numéricos de aplicación para determinar dichas pérdidas pero sobre todo vas a desarrollar simulaciones en programas de cómputo para estudiar los medios inalámbricos. Nuevamente se sugiere el uso del sitio: www.amanogawa.com en donde ahora se presentan actividades para el estudio de las señales de radiofrecuencia y señales inalámbricas así como para graficar de los patrones de radiación de las antenas. También es posible el uso de otros paquetes de análisis matemático para que estudies las ecuaciones de propagación sin embargo una nueva herramienta disponible en la red y que resulta bastante útil en esta parte del curso es el simulador para ondas llamado radio mobile online disponible en la siguiente dirección http://www.cplus.org/rmw/ a través del cual desarrollarás simulaciones para aplicar en un caso real de comunicación los temas estudiados en esta unidad. Vas a estudiar los diferentes tipos de antenas y sus propiedades y mediante la actividad 1 entenderás con claridad la función y características de los principales tipos de antena que existen para las distintas aplicaciones. Además conocerás las formas en que se propaga una onda de radio por el espacio así como el análisis de obstrucciones y pérdidas con la finalidad de determinar la potencia necesaria para un caso de aplicación. Es aquí donde pondrás en práctica el conocimiento aprendido para un caso real de transmisión de señales de radio. El programa de radio mobile resulta muy adecuado para este estudio ya que además del estudio de las propagación de ondas de radio hace uso de recursos

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informáticos basados en mapas terrestres que ayudan a conocer la geografía y obstrucciones en los puntos donde se deberá desarrollar el enlace. Un tema fundamental en las comunicaciones inalámbricas hoy en día es la tecnología celular que está en constante crecimiento. Primeramente estudiarás la historia y evolución de las distintas generaciones de comunicación celular y las principales características de cada una de ellas. Se hace énfasis en la tecnología GSM, que aunque no es la última generación es la que ha permitido integrar mejores y más avanzados servicios. En esta parte verás algunos videos que te permitirán tener un panorama general del futuro de las comunicaciones inalámbricas. Otro tema de importancia es el estudio de los enlaces de microondas tanto terrestres como satelitales, en donde conocerás las principales características de ellos y en el caso de los sistemas satelitales estudiarás los principales satélites de la flota satelital Mexicana, en donde leerás la historia y evolución de las comunicaciones satelitales en México y analizarás la cobertura actual que posee nuestro país. Finalmente se concluye el curso con una síntesis de dos de las principales formas de comunicación que nos interesa en la vida diaria: la telefonía y la radiodifusión (televisión y radio). Se te presenta una reseña de estos servicios pero sobre todo con un enfoque de las tendencias y el futuro se estas tecnologías. Por ejemplo, la transmisión de televisión evoluciona hacia la televisión digital y como se ha estudiado anteriormente se prevé la desconexión (el llamado apagón analógico) de los servicios analógicos. La conclusión del curso se enfoca hacia el estudio de estas nuevas tendencias. Te presentamos el mapa mental para que tengas presente los principales temas del curso:

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Mapa mental sobre la tercera unidad

Todo el éxito en esta última etapa del curso de comunicaciones digitales.

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Propósitos Al final de la unidad:   

 

Identificar los elementos de una red inalámbrica Determinar la potencia en un enlace de transmisión así como las pérdidas Ejemplificar un enlace de comunicación de RF basado en el programa de simulación para determinar los parámetros de transmisión Reconocer las ventajas de las distintas generaciones de telefonía celular. Identificar las características de otros servicios de comunicación.

Competencia específica

Ejemplificar los sistemas de comunicación inalámbrica para resolver las necesidades de transmisión de información mediante el modelado y el estudio de transmisión de ondas basado en herramientas de software y simulación de un enlace inalámbrico.

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Comunicaciones inalámbricas Las comunicaciones inalámbricas, o comunicaciones por radio son hoy en día muy empleadas por la facilidad que representan y por la ventaja de evitar el uso de cables. Las comunicaciones por radio han sino ampliamente utilizadas en los últimos años y el día de hoy las comunicaciones celulares han tenido un gran crecimiento y el día de hoy la gran mayoría de las personas se comunican por este medio. Por otro lado se emplea la comunicación por radio para conectar usuarios de sitios muy distantes, por ejemplo la comunicación satelital que comunica hacia cualquier parte del planeta. A continuación comenzarás con estudiar las antenas y la forma en que se transmite la señal de radio.

Antenas, propagación y cálculos de enlace Una antena es un dispositivo que transforma la energía eléctrica manifestada por un voltaje o una corriente en energía electromagnética que es transmitida por el espacio libre. El origen de las antenas y de las transmisiones por radio inicia desde finales del siglo XIX cuando el científico escocés James Maxwell desarrolló una serie de ecuaciones que demostraban que la energía eléctrica y magnética puede transmitirse por el espacio libre (por el aire), dichas ecuaciones son empleadas hoy en día en el estudio de la propagación de las ondas y reciben el nombre de ecuaciones de Maxwell y representan los fundamentos teóricos para la transmisiones inalámbricas. A partir de dicha teoría vinieron posteriormente los científicos Hertz, quien comenzó a realizar las primer pruebas para transmitir por radio una señal electromagnética, y finalmente el científico italiano Marconi quien logro transmitir y recibir gracias a un dispositivo que le permitió acoplar la señal llamado antena. La antena de un solo polo o monopolo situada verticalmente sobre la superficie de la tierra se llama antena tipo Marconi.

Una antena se define como un dispositivo que permite transformar energía eléctrica en energía electromagnética en el espacio libre o viceversa.

A partir de esta primera transmisión comenzaron las comunicaciones inalámbricas principalmente con la finalidad de transmitir programas de interés o recreativos y difundir noticias. Para ello se inició con la transmisión de las señales de radio y la invención del radio receptor. Este tipo de comunicación se desarrolló basado en la modulación en amplitud o AM, posteriormente se desarrolló la transmisión en FM que también requirió incrementar la frecuencia de los sistemas de transmisión. Durante mucho tiempo estas

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dos formas de comunicación fueron las principales maneras de transmitir, sin embargo con el surgimiento de las comunicaciones digitales y de la tecnología para transmitir en bandas de frecuencia mayores se ha logrado cambios significativos en la forma en que se transmite la información. Comienza con observar un video que presenta las bases del estudio de las antenas: Observa el video: Curso de radiofrecuencia antenas. Por Pascual Gómez (2013) http://www.youtube.com/watch?v=plgF8gLCjDk

A continuación se describirán los parámetros que caracterizan los principales tipos de antenas. Patrón de Radiación Es el diagrama que muestra la intensidad de energía radiada en cada dirección alrededor de la antena. Generalmente se dibuja mediante una línea de intensidad de campo eléctrico constante medida en cualquier dirección alrededor de la misma. Para ello se suele utilizar un diagrama en coordenadas polares. Observa el ejemplo de un patrón de radiación.

Patrón de radiación de un arreglo de antenas comparado con la antena dipolo, tomado de http://proton.ucting.udg.mx/posgrado/arreglos/

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De la figura se puede entender que hacia la dirección de 90º se presenta la máxima potencia de radiación. Existe otro parámetro importante dado por el ángulo θ que es el ángulo que cubre la región de potencia de -3dB, éste valor representa la mitad de la potencia y se denomina ancho del haz a potencia media. Ganancia La ganancia es una medida de la cantidad de energía que la antena irradia en una dirección comparada con una antena de referencia. Para ello se toma generalmente como antena de referencia la denominada antena isotrópica que es una antena puntual, es decir un punto de energía que irradia en todas direcciones y tiene un patrón de referencia esférico y por lo tanto el patrón de referencia de la antena de referencia posee una ganancia unitaria; por lo tanto en ciertas direcciones la antena de estudio o antena de prueba puede tener ganancias mayores a esta. Otra forma de medir la ganancia es mediante la denominada ganancia de potencia que mide la intensidad de campo en una distancia específica en la antena de prueba y en la antena de referencia y posteriormente se determina la ganancia de potencia mediante la siguiente fórmula: G=10log (P REF/P PRUEBA) Directividad Debido a que la ganancia representa que una antena transmite con mayor energía en ciertas direcciones comparada con la antena isotrópica, por ello se tiene mayor ganancia en ciertas direcciones. Se define la directividad como la relación de la intensidad de radiación con respecto a la intensidad promedio en todas las direcciones de la antena Resistencia de Radiación La resistencia de radiación es un parámetro importante que nos indica el valor resistivo de la antena mediante el cual al aplicar una cierta corriente disipa la potencia efectiva que representa la energía que la antera irradia. Es decir, representa una resistencia que si reemplazara la antena disipa la misma potencia que la antena transmite. Como estudiaste en la segunda unidad un mal acoplamiento ocasiona que las pérdidas reduzcan la eficiencia del sistema de transmisión, de esta forma se simplifica el circuito para modelado de la línea que estudiaste en la unidad 2, en la siguiente ecuación se define Rr la resistencia de radiación, P es la potencia disipada por la antena y finalmente i es la corriente suministrada. Rr=P/i2

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Ancho de banda de la antena Este parámetro representa el rango de frecuencias que cubre la antena, es decir las frecuencias a las que puede operar. Dada la frecuencia de operación de la antena las dimensiones de la misma deberán cubrir al menos λ/4 de ahí que a bajas frecuencias el tamaño de la antena será mayor y a altas frecuencias se tendrán antenas pequeñas. Por lo tanto la antena opera en un rango de frecuencias dado por la siguiente ecuación:

fm=(fL x fH)1/2 En donde fm representa la frecuencia central de la antena y fL y fH son las frecuencias mínima y máxima de operación respectivamente. Impedancia de la antena Es la impedancia que presenta la antena en el punto de alimentación y es el valor que utilizamos al acoplar con el generador, generalmente es un valor complejo dado por: Z=RA + jXA Como recordarás en los cursos de circuitos el valor imaginario de la impedancia se denomina reactancia y cuando éste toma un valor positivo es por una carga inductiva, mientras que un valor negativo se produce por cargas capacitivas, este tema lo estudiaste en la unidad 2. Para los casos de una antena dipolo de longitud lλ/4 la antena una carga inductiva.

Ejemplo 1 Dada una antena diseñada para cubrir un rango de frecuencias de 54 MHz hasta 216 MHz calcula la frecuencia central de dicha antena Solución Mediante la ecuación del ancho de banda fm=(fL x fH)1/2 Se obtiene fm=(54 x 216)1/2 = 108 MHz

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Ejemplo 2 Una antena irradia 15W de potencia para una corriente suministrada de i=400mA, determina la resistencia de radiación Solución Rr=P/i2 por lo tanto P=15(.42) = 93.75Ω

Las antenas deben ser de un tamaño adecuado que permitan distribuir la energía de la señal a lo largo de media longitud de onda, por lo tanto a frecuencias bajas o medianas se tendrán antenas muy largas y a altas frecuencias se tendrán antenas pequeñas. A continuación se describen algunas de las principales antenas. Antena Dipolo La antena básica que dio inicio a las transmisiones por radio es el dipolo, que se forma por dos líneas conductoras cada una de λ/2 y que en su totalidad suman una longitud de λ/2 de tal forma que se denomina dipolo de media longitud de onda. Como estudiaste en la unidad 2 en el caso de líneas en circuito abierto, la corriente y el voltaje energiza la antena y al extremo de la misma se tendrá la máximo potencial y corriente cero.

Antena Dipolo para el caso de una frecuencia de 7.050 MHz tomado de http://ea5mon.com/?page_id=166

Antena Yagui Se ha visto que un arreglo de antenas permite añadirle ganancia al dipolo transmisor y también reduce los lóbulos laterales de esta forma se creó la antena yagui, que ha sido empleada en rangos de frecuencias de UHF y VHF y durante mucho tiempo fue la

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principal antena para recepción de televisión analógica. La figura muestra este tipo de antena:

Antena yagui de http://www.antenna-theory.com/spanish/antennas/travelling/yagi2.php

Existen diferentes variaciones de este tipo de antena que dependen de la longitud de reflectores y directores y generalmente el cálculo de los parámetros de esta antena es complicado y se realiza de forma experimental. Antena parabólica Esta antena es muy empleada el día de hoy debido a que trabaja adecuadamente en la banda de microondas. Esta antena está formada por un disco parabólico que posee una pequeña antena (puede ser un dipolo) situada en el punto focal que recibe toda la señal de la antena y la conduce hacia/desde el radio transmisor (ya que puede ser antena receptora o transmisora). La principal ventaja de esta antena es su alta ganancia y directividad.

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Antena parabólica y sus principales elementos tomado de http://ftgrupovi.blogspot.mx/2012/10/satelite.html#!/2012/10/satelite.html

Como puedes ver en la figura, además de la antena se requiere de una estructura que la soporte y muchas veces de una serie de motores que permiten mover y orientar la antena hacia el satélite en el caso de antenas para esta aplicación. La ganancia de la antena parabólica se determina mediante la siguiente ecuación:

Ap= k (πD)2 / λ2 Ap dB = 10 log( k (πD)2 / λ2 ) En donde Ap es la ganancia de potencia dada en dB, D es el diámetro de la antena en m, k es un factor de eficiencia de reflexión (que tiene un rango de valores desde .4 a .7) y λ es la longitud de onda de la señal.

Ejemplo 3 Determina la ganancia de una antena parabólica de diámetro D=1.5 m que opera en la frecuencia de 4.5 GHz, considerar un factor de eficiencia k=0.5 Solución Determinar la longitud de onda λ=3X108 / 4.5X109 m = 0.06 m La ganancia se determina de la siguiente forma:

Ap= k (πD)2 / λ2 = 0.5 (3.14x1.5)2 / (0.062 ) = 3081 Dado en dB : Ap= 10 log(3081) = 34.88 dB

Antena helicoidal Es una antena altamente direccional con un amplio rango de frecuencia y es utilizada tanto en aplicaciones de VHF como microondas. Su principal ventaja es que genera una polarización circular y por lo tanto la señal recibida puede ser recuperada tanto por antenas con polarización horizontal como vertical, es empleada frecuentemente dentro de aviones y en la aeronáutica.

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Antena helicoidal http://fralbe.com/2010/09/04/antenas-helicoidales-modo-axial-de-radiacion/

Antenas de microcinta Este tipo de antena es para aplicaciones de microondas y es una antena que se diseña como parte de la placa de un circuito impreso en donde se dibuja una cierta ruta de cobre que tiene la propiedad de radiar energía electromagnética al espacio como lo hace una antena, hoy en día son muy utilizadas en los teléfonos celulares y aplicaciones de microondas.

Antena de microcinta tomado de http://fralbe.com/2009/02/17/metodos-de-alimentacion-deantenas-microcinta-antenas-patch/

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Ejercicio 1

Resuelve los ejercicios 1-4 del cuaderno de ejercicios para que tengas mayor conocimiento de los parámetros las antenas en general. Deberás poner en práctica toda la información que acabas de estudiar.

A continuación se presenta un ejemplo de una simulación que podrás realizar nuevamente en el sitio de www.amanogawa.com en donde se realiza un arreglo de antenas

Ejemplo 4 Dado un sistema con un arreglo de 4 antenas dipolo de longitud de 0.45 λ, determina el patrón de radiación de potencia mediante el uso de la herramienta de análisis en amanogawa Solución Primero selecciona la opción de entenas lineales mediante el ícono:

En seguida selecciona el ícono de aplicaciones java:

Finalmente selecciona la opción de análisis de un arreglo de N dipolos:

A continuación modifica los parámetros para analizar un arreglo de 4 dipolos, selecciona

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0.45 λ y el modo de graficación en potencia, actualiza los parámetros y determina el patrón de radiación:

Las figuras de la derecha te muestran los respectivos patrones de radiación en donde puedes observar la dirección de máxima ganancia.

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Ahora conoces cuales son los principales tipos de antenas y sus aplicaciones para lo cual es importante que hayas entendido que principalmente el tipo de antena y sus dimensiones se seleccionan de acuerdo al rango de frecuencias de operación.

Ahora realizarás la primera actividad, en donde desarrollarás un trabajo de investigación sobre los principales tipos de antenas y podrás reforzar los conocimientos sobre este tema

Actividad 1. Conectando sin cables ¡Bienvenido(a) a la primer actividad de la tercera unidad de la asignatura Comunicación en sistemas digitales! Revisa el documento de actividades. *Verifica los criterios de evaluación de la actividad. A continuación, estudiarás la forma en que se transmite la señal electromagnética por el aire y especialmente analizarás las atenuaciones y pérdidas de la señal. Con este conocimiento podrás aplicar la teoría a casos particulares de sistemas de transmisión. Esto te ayudará a diseñar adecuadamente un enlace de radio seleccionando frecuencia de operación, tipo de antenas y también determinar correctamente la ubicación de estaciones de transmisión y recepción. Propagación de ondas Las formas principales en que se puede realizar la propagación de la energía por el espacio libre es a través de los siguientes casos:  Ondas terrestres o superficiales  Ondas espaciales directas (mediante una línea directa entre dos antenas llamadas en línea de vista)  Ondas reflejadas de la ionósfera  Comunicaciones satelitales

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Trayectorias de propagación de una señal de radio de acuerdo a la figura 17-12 de Tomasi, Sistemas electrónicos de comunicación

Una onda terrestre viaja a lo largo de la superficie terrestre y es también llamada onda superficial sin embargo los efectos del suelo afectarán la señal propagada. Es importante considerar las características del terreno donde se transmiten. Las ondas espaciales en línea de vista permiten la transmisión de la señal por el espacio cuando las dos antenas se ven directamente en el horizonte. Si se aumenta la potencia de transmisión se podrán conectar estaciones separadas a una gran distancia, sin embargo la única limitante que existe es la curvatura de la tierra de tal forma que es necesario aumentar la altura de las antenas o bien emplear repetidoras. Las ondas espaciales reflejadas de la ionósfera emplean a la misma ionósfera como una guía de onda, es decir como un canal que contiene la onda y mediante el cual viaja la señal, para ello es importante transmitir a un ángulo fijo de incidencia con la ionósfera para el correcto rebote de la señal, de manera similar al efecto de las fibras ópticas que estudiaste en la Unidad 2. También es importante seleccionar la frecuencia de operación ya que también el rebote de la señal depende de la frecuencia seleccionada, que puede alcanzar rangos de hasta 20 MHz. Es importante considerar ciertos efectos de interferencia, dispersión debido a condiciones atmosféricas y también a la energía que rebota de capas superiores. Por último, las comunicaciones satelitales permiten la transmisión de la señal desde la tierra hasta un satélite que orbita en el espacio y que puede estar situado hasta más de 35,000 km. Mas adelante estudiarás este tipo de comunicación. Cálculos de enlace en la transmisión Este tema de la unidad es muy importante debido a que te dará las herramientas para entender y poner en práctica una aplicación donde podrás ver como se puede calcular un enlace de radio. Para ese ejercicio deberás tomar en cuenta un gran número de parámetros que empezarás a analizar a continuación.

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Primeramente, un aspecto importante que debe ser considerado en una transmisión inalámbrica es el cálculo de las potencias de transmisión y pérdidas a fin de determinar la potencia con que se recibe la señal en un cierto punto. Esto lo podemos combinar con la información del patrón de radiación de la antena a fin de conocer la cobertura de una cierta transmisión. En la actividad 2 desarrollarás diversos ejercicios a fin de que puedas determinar los parámetros en un enlace de radio. Gran parte de los enlaces de comunicación se desarrollan en frecuencias del rango de los GHz por lo cual es importante conocer las ecuaciones para determinar la potencia y las pérdidas en un enlace de transmisión. Primeramente las pérdidas se pueden producir por la distancia a la cual se transmite y dependen de la frecuencia mediante la siguiente ecuación que se denomina Ecuación de pérdidas por transmisión en el espacio libre: LP(dB)=20log(4πD/λ) En donde LP son las pérdidas por transmisión en el espacio libre, D es la distancia a transmitir dada en km y λ es la longitud de onda a la que se transmite. En el siguiente ejemplo determinarás las pérdidas para un caso particular

Ejemplo 5 Se tiene una señal de 5 GHz que transmite a 25 km, determina las pérdidas del enlace Solución: Se determina primeramente λ λ=3X108 / 5X109 m = 0.06 m L=20 log (4πx25/.06)= 30x3.71= 74.3 dB

La ecuación anterior representa las pérdidas en la potencia en el espacio libre y que se puede expresar de la siguiente forma en dB Lp = (4πD/λ)2

Lp dB = 10 log (4πD/λ)2 = 20 log(4π/c) + 20 log(f)+20log(D) Perdidas en dB = 32.44 dB + 20 log D + 20 log f

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En donde nuevamente D es la distancia en km y f es la frecuencia en MHz. Esta nueva ecuación también es muy utilizada en la práctica y produce el mismo resultado. En un enlace de radio entran otros factores en juego que también deben considerarse para lograr una correcta comunicación y recibir una señal con buena potencia en el punto de recepción. Es importante orientar las antenas en una posición en la cual se vean una a la otra, como se mencionó, esto es llamado línea de vista y para ello generalmente se requieren estudios de la región en donde se realiza el enlace para garantizar que no existen obstrucciones entre los dos puntos a comunicar. Estos estudios indican que no hay objetos que produzcan efectos de difracción y rebotes de la señal. Una ventaja del uso de la tecnología y de los recursos de información es que este tipo de análisis lo podemos obtener de modelos y programas de cómputo para el análisis. Para esta etapa se recomienda el uso del programa y del software Radio Mobile Por otro lado existen pérdidas que se generan debido a las condiciones atmosféricas y climatológicas haciendo que la señal se reduzca, de aquí surge el término llamado margen de desvanecimiento, que también debe ser estudiado en la propagación de una onda de radio. Una vez analizada la región y los efectos del clima también se deberá incluir las pérdidas por propagación en el espacio libre. En una conexión real se debe considerar también las pérdidas ocasionadas por los conectores, acopladores, cables, filtros. Una vez considerados todos los factores se establece la ecuación principal del sistema en donde se relacionan las ganancias con las pérdidas, aquí es importante recordar que en dicha ecuación las antenas representan una ganancia. La ecuación que define la denominada ganancia del sistema de transmisión de radio por microondas es la siguiente de acuerdo a Tomasi:

Gs = Pt - CMin Gs representa la ganancia del transmisor y en donde C Min es la potencia mínima que debe ser detectada en el receptor para así obtener la calidad deseada en el sistema de transmisión. Por lo tanto esta ganancia del sistema debe cumplir con la condición de ser mayor a las pérdidas considerando también las ganancias de las antenas: Gs >= Fm + Lp +Lf +Lb –At -Ar Las pérdidas que se consideran en un enlace terrestre son: Lp Pérdidas en el espacio libre como se han estudiado anteriormente   Fm: es el denominado margen de desvanecimiento que representa la reducción de la señal debido a pérdidas ocasionadas por las condiciones atmosféricas Lf: son las pérdidas en los alimentadores 

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  

Lb: sonlas pérdidas en los acoplamientos At: ganancia en la antena transmisora Af: ganancia en antena receptora

Toma en cuenta que en la ecuación se suman todas las pérdidas y en consecuencia la ganancia total deberá ser mayor a dicha suma y por lo tanto las ganancias de las antenas se restan de la suma obtenida.

Para un enlace de microondas las ganancias representativas son de 30 a 38 dB. Un análisis completo del enlace se presenta en el siguiente ejemplo.

Ejemplo 6 Determinar la ganancia del sistema de acuerdo a los valores representados en la tabla Parámetro Potencia del transmisor Pérdidas en la línea Ganancia de la antena transmisora Pérdidas en espacio libre Ganancia en antena receptora Pérdidas en la línea receptora Nivel de potencia recibida

Ganancia/pérdida 25 dB 4 dB 35 dB 110 dB 35 dB 4 dB -80dBm

Solución: De acuerdo a la ecuación la ganancia deberá ser Gs >= 110+4+4-35-35 = 48 dB

En este ejercicio determinaste las pérdidas en la transmisión considerando los parámetros generales de todo el sistema, como puedes observar, entre más información tengas del sistema mejor será la representación y el modelo que puedas analizar. A continuación emplearás programas de cómputo para realizar la simulación de un enlace de radio.

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En este momento debes entender claramente la función que tiene una antena y sus principales características, especialmente lo que es un patrón de radiación y ganancia que son parámetros que nos ayudarán a implementar un sistema de comunicación adecuadamente y asimismo entender los efectos debido a las pérdidas en la transmisión

Para la simulación se sugiere el uso de Radio Mobile en línea que puedes consultar en http://www.cplus.org/rmw/ en donde se aplican las ecuaciones de propagación mediante un programa de simulación para diseñar de un enlace de comunicación por radio. Lo pondrás en práctica en un caso real de comunicación.

Modelo de transmisión de un sistema en Radio Mobile Con la finalidad de que apliques el conociendo de la transmisión de señales a un caso práctico ahora desarrollarás un ejemplo en el cual vas a simular un sistema de transmisión en un software de procesamiento matemático. Para ello emplearás la herramienta de Radio Mobile online para lo cual deberás ingresar a la siguiente liga: http://www.cplus.org/rmw/ en donde debes registrarte y obtener una cuenta de ingreso. Una vez que ingreses vas a seleccionar la opción de Radio Mobile online que es una aplicación en línea en donde podrás realizar simulaciones para calcular los parámetros de enlace de radio. Puedes encontrar diversos videos en donde se presentan tutoriales sobre el uso de la herramienta Radio Mobile, por ejemplo el siguiente video tutorial: Tutorial práctico Radio Mobile I http://www.youtube.com/watch?v=TePhfN6j_J4

A continuación se realiza la simulación completa de un enlace de radio basado en Radio Mobile.

Ejemplo 7

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Realiza un modelo de transmisión de un sistema que comunique dos sitios ubicados en las siguientes coordenadas: Sitio 1.- Localizado en un poblado en Latitud 20.76 o y longitud. -99.41 o Sitio 2: Localizado en un poblado en Latitud 20.61 o y longitud. -99.335 o Se emplea en el sitio 1 una antena de 25 m y en el sitio 2 una antena de 2 m y para el transmisor se tiene un radio de 45 W y una frecuencia de 146 MHz. Realizar un análisis del enlace de comunicación mediante la herramienta Radio Mobile. Solución: Dentro del sitio podras registrar los sitios a comunicar que desees. Para ello selecciona New Site y posteriormente podrán ingresar latitudes y longitudes precisas. La herramienta usa las aplicaciones de mapas de google y con eso tiene información precisa de la zona geográfica incluyendo cerros y montañas para el estudio de línea de vista. A continuación se seleccionan los sitios:

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Una vez registrados los sitios a analizar podrás seleccionar el análisis del enlace dando los parámetros que desees o bien podrás modificar los parámetros existentes, el servidor de Radio Mobile calcula el enlace y presenta un resultado del estudio de línea de vista como se observa a continuación

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En los resultados presentados puedes observar los datos precisos de pérdidas en el espacio e inclusive pérdidas por obstrucciones, así por ejemplo en este enlace se tendrán 100.80 dB de pérdidas en el espacio libre y 54.22 dB de pérdidas por obstrucciones. Como puedes observar existen obstrucciones debido a montañas y cerros que obligan al uso de ondas reflejadas y ondas superficiales. Además puedes observar en otro mapa la ubicación precisa de los sitios.

¡EXCELENTE! Las tecnologías de información y herramientas de simulación hoy en día proporcionan una excelente ayuda para que el ingeniero pueda aplicar el conocimiento a situaciones reales. En el ejemplo se seleccionaron dos sitios ubicados en el estado de Querétaro. Toda la

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información sobre la zona geográfica y por otro lado los cálculos del enlace se combinan en un servidor para procesar los datos y mostrar los resultados. En otro tiempo deberías de haber realizado un estudio en campo con levantamientos topográficos y varias visitas al lugar además de pasar muchas horas con una calculadora para obtener el mismo resultado. Sin embargo algunas situaciones adicionales como pueden ser puentes, anuncios o algún posible edificio o construcción no están contemplados y antes de una instalación física se deberá validar la información obtenida.

Ejercicio 2 Resuelve los ejercicios 5-10 del cuaderno de ejercicios que te apoyarán a determinar las pérdidas en la transmisión de una señal por el espacio libre y en donde también utilizarás los programas de simulación como apoyo.

A continuación desarrollarás la segunda actividad en donde a través de diferentes ejercicios realizarás ejemplos de cálculos de un enlace de radio.

Actividad 2. ¿Por qué no tengo señal? Revisa el documento de actividades de la unidad. *Verifica los criterios de evaluación de la actividad. Has estudiado la forma en que se transmite una señal de radiofrecuencia y las características de este medio incluyendo las características de las antenas y la potencia requerida. Ahora es importante que conozcas la forma en que esta organizado el espectro de radiofrecuencia.

Uso del espectro de radiofrecuencia En la unidad 1 ya has estudiado las implicaciones de y la necesidad de una regulación en el campo de las telecomunicaciones. En este momento que estás estudiando más a fondo las transmisiones por radio deberás entender con mayor detalle la forma en que está organizado el espectro de radiofrecuencia, sus usos y mediante la tercera actividad a

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realizarse en el foro de discusión vas a compartir tu opinión sobre el tema del uso del espectro y los cambios que se estarán dando a futuro en la administración del espectro de radiofrecuencia en México. Comenzarás con entender en forma general la distribución de frecuencias de acuerdo a la banda de frecuencia y aplicaciones y posteriormente conocerás el espectro y con detalle las asignaciones que son manejadas en México. La figura siguiente te presenta una descripción general del uso de frecuencias.

Espectro general de radiofrecuencia tomado de http://docente.ucol.mx/al058284/GRAFICAESPECTRO.htm

El espectro electromagnético se divide en frecuencias que van desde la frecuencia cero (Corriente Directa o DC) hasta las frecuencias de cientos de GHz. De acuerdo al rango de frecuencia se divide desde las frecuencias extremadamente bajas que se designan como ELF que van de los 30 a los 300 Hz, sigue la frecuencia audible de voz o VF desde los 300 hasta los 3000Hz; de los 3KHz a los 30KHz se designa como frecuencias muy bajas o VLF; de los 30 KHz a los 300 KHz son frecuencias bajas o LF; de 300KHz a 3 MHz se denominan frecuencias medias o MF; de 3 MHz a 30 MHz son frecuencias altas o HF; de 30 a 300 MHz son frecuencias muy altas o VHF; de los 300 MHz a 3 GHz se denominan frecuencias súper altas o SHF y finalmente de los 30 GHz a 300 GHz se dio el nombre de frecuencias extremadamente altas o EHF. En la figura se muestran algunas aplicaciones de las diferentes bandas de frecuencia, como transmisión de radio, FM o radar, así como una comparación de las dimensiones de longitudes de onda, como en la banda de microondas en donde son del tamaño de una pelota de tenis.

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Aún cuando las aplicaciones generales antes mencionadas son de uso general en cualquier país del mundo, en México existe un uso del espectro de radio propio para aplicaciones locales que también son regulados por los organismos que tú ya conoces. En la siguiente referencia, tomada directamente de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes SCT podrás encontrar la distribución específica del uso de radiofrecuencia que aplica en nuestro país, te sugerimos que consultes la referencia http://www.itu.int/ITUD/study_groups/SGP_1998-2002/JGRES09/pdf/mexico1.pdf y descarga el documento completo y revisa la tabla que corresponde al capítulo denominado Atribución del espectro Radioeléctrico 1999, en donde se presentan la totalidad de las aplicaciones del espectro de radio en México. Inicialmente encontrarás el documento completo con la descripción detalladas de cada una de las bandas del espectro de radio y hacia el final del documento podrás ver una tabla descriptiva con la asignación de frecuencias del espectro de radio en donde verás, por ejemplo los servicios para navegación, servicios para aeronáutica, bandas para aficionados entre muchas otras. Este material será de gran apoyo para que desarrolles la actividad 3. Debido a que es una tabla enorme no es posible presentar en una sola imagen, a continuación la puedes ver en forma completa. .

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Espectro de radiofrecuencia en México del cuadro nacional de atribuciones de frecuencias en México consultado de SCT referencia http://www.itu.int/ITU-D/study_groups/SGP_19982002/JGRES09/pdf/mexico1.pdf

En esta imagen no es posible distinguir la información de las frecuencias, sin embargo tú la podrás analizar en tu computadora con mayor detalle al seleccionar el índice que contiene el mismo archivo en el mismo formato .pdf. A continuación se muestra con detalle un fragmento del rango de frecuencias de la banda de MF

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Ejemplo de la banda de frecuencias MF desde 300 KHz hasta 500 KHz dentro del espectro de radiofrecuencias en México consultado de SCT referencia http://www.itu.int/ITUD/study_groups/SGP_1998-2002/JGRES09/pdf/mexico1.pdf

Te sugerimos que a continuación leas el siguiente artículo que además te va servir de base para realizar la actividad 3. http://eleconomista.com.mx/columnas/columna-especial-empresas/2013/07/02/banda700-mhz-galimatias

Actividad 3. Las comunicaciones el día de mañana Consulta el documento de actividades de la unidad. *Verifica los criterios de evaluación de la actividad. A continuación estudiaras diferentes formas de implementar los sistemas de radio en enlaces terrestres y satelitales

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Enlaces terrestres En diversas aplicaciones de comunicación la solución adecuada para comunicar dos sitios es mediante un sistema de radio terrestre, específicamente de microondas. Podrías pensar que el medio mas adecuado es fibra óptica debido a su gran capacidad y ancho de banda, sin embargo la instalación de fibra óptica resulta muy costosa para cortas distancias, como puedes recordar de la segunda unidad, la fibra requiere una protección adecuada, ya que generalmente la fibra debe ir enterrada bajo el suelo, y como leíste también la fibra puede ser submarina para lo cual se necesita una protección especial. En las grandes ciudades hoy existen importantes anillos de fibra óptica que cubren las principales regiones comerciales y residenciales de las grandes ciudades sin embargo en las zonas externas a las ciudades, en pueblos pequeños, en comunidades alejadas de las ciudades también hay necesidades de comunicación de empresas, oficinas gubernamentales, hospitales, bancos, escuelas y es aquí en donde resulta adecuado un enlace de microondas terrestre. Para este tema de un enlace terrestre también es importante aplicar los conocimientos de pérdidas, potencia, frecuencias y tipos de antenas a utilizar. Al inicio de la unidad estudiaste los procedimientos para los cálculos de enlaces, es decir, las ecuaciones que te permiten determinar las pérdidas y la potencia requerida en un enlace de radio. También, es importante seleccionar la frecuencia adecuada de operación para dichos enlaces, a partir de dicha frecuencia se debe seleccionar el tipo de antena a utilizar, por ejemplo para las bandas de UHF y VHF generalmente emplean antenas tipo yagui y para frecuencias mayores, en la banda de microondas se emplean antenas parabólicas. Aún cuando algunas aplicaciones aun emplean las bandas de UHF y VHF las microondas resultan mas atractivas debido al gran ancho de banda que representan. En el enlace de microondas se requiere una conexión en línea de vista, hoy en día se emplean frecuencias de los 4400 hasta los 5000 MHz para enlaces de microondas terrestre punto a punto. Para el caso de frecuencias menores a los 10 GHz es importante considerar las condiciones climatológicas. También es importante realizar estudios del terreno como lo viste en el ejemplo. Para que conozcas con mayor detalle la asignación de frecuencias para aplicaciones de microondas te sugerimos repases nuevamente el cuadro de frecuencias Realiza una lectura detallada de las páginas 245 a 248 del documento de Cuadro nacional de atribución de frecuencias México 1999 http://www.itu.int/ITU-D/study_groups/SGP_19982002/JGRES09/pdf/mexico1.pdf

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Dentro de la información de la lectura anterior encontrarás una descripción sobre las frecuencias y su asignación para microondas terrestres y microondas satelitales

Las aplicaciones que se tienen en este tipo de comunicación son principalmente servicios de voz y datos, sin embargo se utiliza para otros servicios tales como::  Telefonía  Datos  Telégrafo/telex/fascímille  Televisión  Video  Troncales de telefonía celular Las aplicaciones de microondas terrestres además de conectar a usuarios dentro de distancias aceptables ya sea en línea de vista o bien para distancias mayores es necesario el uso de repetidoras hasta alcanzar la comunicación entre los usuarios que desean comunicarse.

Enlaces satelitales Las comunicaciones satelitales también representan un importante medio en los enlaces globales, sin embargo con el crecimiento de la fibra óptica y las líneas de cable submarinas de mucho mayor capacidad, que han crecido cada día mas y se ha logrado una gran conectividad mundial por fibra. Sin embargo la comunicación satelital se sigue empleando para comunicación global. Un satélite artificial es un cuerpo que rodea la tierra en una orbita que puede ser del tipo sincronía o asíncrona. En el tipo síncrona el satélite se mueve a la misma velocidad de la tierra. Existe una posición en la cual el satélite que se mueve a velocidad síncrona está siempre visible desde la tierra en el espacio en la misma latitud cuando el satélite gira a la misma velocidad que la tierra, esta órbita se denomina geosíncrona. Esta se logra cuando el satélite se sitúa a una distancia de aproximadamente 35,000 km sobre el ecuador. Debido a que el satélite parece estar estacionado en el espacio se denomina geoestacionario. Hoy en día existen un gran numero de satélites en orbita geoestacionaria, entre ellos los satélites Mexicanos. El satélite recibe la señal de estaciones terrenas y puede retransmitir la señal en un área de cobertura que cubre una región bien definida. Los patrones de radiación de los satélites deben cubrir la totalidad

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del país y no es deseable tener cobertura en zonas no habitadas como lo son los océanos, de tal forma que un patrón de radiación circular significa un gran desperdicio de la potencia transmitida. Los patrones de radiación se logran mediante la combinación de diferentes antenas que permiten generar zonas definidas de cobertura, mas adelante observarás y analizarás las regiones de cobertura de los satélites Mexicanos. Estas regiones se denominan EIRP (Effective Isotropic Radiated Power ). Otro aspecto importante en la comunicación satelital es la frecuencia de operación del satélite, como estudiaste en esta unidad, dentro de las bandas de microondas existe la región dedicada a las comunicaciones satelitales y un mismo satélite puede emplear diferentes bandas para transmisión y recepción. La historia de los satélites en México inicia en 1982 cuando inicia la construcción de los satélites Morelos, en 1985 se pone en órbita el sistema Morelos integrado por dos satélites geoestacionarios. Para 1989 se creo Telecom (Telecomunicaciones de México) que es un organismo descentralizado que opera el sistema de satélites Morelos. En 1991 inicia la construcción del sistema de satélites solidaridad, dedicado para ofrecer servicio en México, Latinoamérica y el sur de Estados Unidos. En 1993 se lanza el Solidaridad 1 y para 1994 se lanza Solidaridad 2 y se inaugura el centro de control en Hermosillo Sonora. En 1997 inicia la construcción del satélite Morelos 3 (hoy SATMEX 5), y se constituye la empresa Satélites Mexicanos SA de CD (SATMEX). En 2006 se lanza el satélite SATMEX 6 y se mueve de posición el Solidaridad 2. Posteriormente se reestructura la empresa SATMEX y se inicia la construcción de SATMEX 8 que reemplaza a SATMEX 5. SATMEX 8 es lanzado en 2013. La descripción detallada de cada uno de los satélites que el día de hoy operan en México los puedes estudiar directamente en el sitio de Internet de SATMEX en http://www.satmex.com.mx/content/fleet. Un aspecto importante a considerar dentro de la información presentada de los satélites en general es la banda de frecuencia utilizada. Las bandas más empleadas en comunicaciones satelitales son: Banda L Frecuencias: 1.53-2.7 GHz. Debido a sus longitudes de onda logran penetrar a través de las estructuras y requieren transmisores de menor potencia, pero no son empleados para grandes capacidades de transmisión de datos. Banda Ku Para recepción se emplea 11.7-12.7 GHz, y en transmisión 14-17.8 GHz. Las longitudes de onda son de un rango mediano que también traspasan gran parte de los obstáculos y transportan una mayor cantidad cantidad de datos de información. Sin embargo la mayoría de las frecuencia están adjudicadas.

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Banda Ka Emplea las frecuencias: 18-31 GHz. Ventajas: amplio espectro existen ubicaciones disponibles; las longitudes de onda permiten grandes capacidades de transmisión de datos. Sin embargo se requieren transmisores muy potentes. A continuación puedes observar las regiones de cobertura del satélite SATMEX 8, el más reciente de los satélites Mexicanos y su cobertura de acuerdo a la banda de operación:

Zona de cobertura de SATMEX 8 en banda C tomado de http://www.satmex.com.mx/content/fleet

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Zona de cobertura de SATMEX 8 en banda Ku1 tomado de http://www.satmex.com.mx/content/fleet

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Zona de cobertura de SATMEX 8 en banda Ku2 tomado de http://www.satmex.com.mx/content/fleet

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Zona de cobertura de SATMEX 8 en banda Ku3 tomado de http://www.satmex.com.mx/content/fleet

Multicanalización en sistemas satelitales En un sistema de comunicación satelital también es importante combinar a distintos usuarios mediante el proceso de multicanalización tal y como lo estudiaste para los sistemas de telefonía de esta forma múltiples usuarios pueden utilizar el mismo canal. Los principales métodos de multicanalización empleados en los sistemas de comunicación satelital son mediante multicanalizacion por división de frecuencia (o FDMA) y multicanalización por división de tiempo (TDMA). Cálculos del enlace en sistemas satelitales

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Un aspecto importante a considerar en un enlace satelital es la determinación de las pérdidas para una distancia de 35,000 km, que debido a la gran distancia la señal recibida en el satélite es de una magnitud muy pequeña, esto hace que una de las partes principales dentro de la electrónica del satélite es el llamado Amplificador de Bajo ruido que tiene como función recibir y amplificar esta señal. En el siguiente ejemplo se determinan las pérdidas en un enlace satelital.

Ejemplo 8 Determina las pérdidas en el espacio libre desde una estación terrena hasta un satélite situado a una distancia de 35,000 km en orbita estacionaria para una frecuencia de operación de 10 GHz Solución: Se aplica la ecuación de pérdidas en el espacio libre LP(dB)=20log(4πD/λ) Se determina primeramente λ λ=3X108 / 10X109 m = 0.03 m L dB = 20 log(4piD/l) = 20 log (4 pi 35000/0.03) = 330 dB

De forma similar a un enlace terrestre de microondas, también se debe considerar la ecuación completa para un análisis de la ganancia y de las pérdidas, para la cual se debe considerar la ganancia de las antenas, pérdidas en el enlace, pérdidas en conectores etc.

Ejercicio 3

Resuelve el ejercicio 11 del cuaderno de ejercicios que te para determinar las pérdidas en la transmisión de otro tipo de satélite en el espacio.

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A continuación estudiarás otro tipo de tecnología de comunicación inalámbrica que está adquiriendo una gran importancia hoy en día y es la telefonía celular.

Tecnología celular La telefonía celular tiene sus orígenes en el concepto de comunicación celular, que se compone de las denominadas células de cobertura, que son estaciones localizadas en ciertos lugares y que tienen cobertura en una región que es la denominada célula de cobertura. Estas células generalmente tienen una forma hexagonal; las estaciones que transmiten y reciben la señal se denominan estación base y las antenas cubren una región omnidireccional que puede tener un cierto grado de traslape. En dichas estaciones se cuenta con antenas transmisoras y receptoras así como el equipo de conmutación que permite conectarse a la red de telefonía fija, que en ocasiones se realiza mediante enlaces de microondas terrestres, fibra óptica o bien mediante una línea T1. Observa la figura en donde se muestra el concepto de célula, cabe aclarar que se ha demostrado que la forma hexagonal es la que hace más eficiente el sistema.

Ejemplo del sistema de telefonía celular http://www.tecnocomunicaciones.com.ar/faq.asp

Antecedentes y evolución El día de hoy el uso de la telefonía celular se ha extendido a todo el mundo de tal forma que se estima que ha alcanzado la cifra de 4.6 billones a los inicios de 2010 y seguramente es mayor el día de hoy. El concepto de la telefonía celular data del final de los años 40’s sin embargo era un servicio muy limitado y costoso. Hacia los años 70’s comienzan las transmisiones de forma similar a lo que conocemos hoy como la telefonía celular, para lo cual se asignó la banda de 800 – 900 Mhz para el servicio que se llamó

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Servicio Avanzado de telefonía móvil (AMPS). El concepto fue la transmisión de múltiples estaciones de baja potencia repartidas a lo largo de una zona amplia de cobertura en lugar de la transmisión de una sola estación de muy alta potencia, bajo el concepto de reúso de la frecuencia. Posteriormente este sistema fue creciendo y la tecnología de comunicación se fue mejorando de tal forma que cada tipo de tecnología empleada se llamó generación y se han tenido tres principales generaciones (también llamadas 1G, 2G y 3G): que son desde AMPS, en seguida GSM (Global System for Mobile) y finalmente UMTS ( Universal Mobile Telecomunication system). La evolución entre estas generaciones ha permitido incorporar nuevos servicios y aumentar el ancho de banda.

Generaciones y tecnología GSM La primera generación AMPS fue una red totalmente analógica y fue diseñada como un sistema de telefonía equivalente al uso de radios de dos vías. Se asignaban bandas de frecuencia de 30 KHz espaciada entre canales sin embargo la capacidad fue insuficiente y limitada por el espectro con lo cual fue necesario cambiar a una tecnología digital, este servicio en sus inicios era muy costoso. La segunda generación se basó en un sistema de multicanalización por división de tiempo para acceso al medio o bien TDMA (Time Division Multiple Access) con lo cual se logró ampliar la capacidad sin necesidad de incrementar el espectro. Gran parte de la tecnología analógica fue empleada en este sistema. En seguida surge una tercera generación para la cual las redes ya son significativamente distintas de la segunda generación, para la cual se logra una transferencia de datos a alta velocidad y se incluyen nuevos servicios como el video inalámbrico. Dos tipos de servicios de acceso al medio son utilizados, por un lado TDMA como se explicó hace un momento y por otro lado el acceso al medio por división de código CDMA que es una forma de codificar la señal compartiendo el mismo espectro con distintas señales pero es posible separarlas mediante el código que es único para cada usuario. Gracias a estas técnicas que permiten maximizar el uso de las frecuencias es posible el crecimiento que vemos hoy en día. En distintos países se desarrollo un estándar a partir de los años 90’s para las comunicaciones celulares que es el sistema global para las comunicaciones móviles o Global System for Mobile Communications o GSM. GSM es el estándar para gran parte de los paises de eutopa y américa del norte. La tecnología GSM o Global System for Mobile Comunication es un estándar para la comunicación celular en donde se emplean canales de 200Khz que son compartidos en el tiempo por otros 8 usuarios. Se puede considerar un sistema basado en acceso por división de tiempo o TDMA, y la ventaja de tener este ancho de banda mayor permite obtener ciertas ventajas en el sistema. Algunas de esas ventajas son que cuando el

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usuario se desplaza y se aleja de la estación base se incrementa la potencia, o bien cuando el usuario está próximo a salir de la cobertura de la célula la posibilidad de que la conexión se pierda se reduce al mínimo. Así como la estación base conoce que tan lejos el usuario está de la misma con lo que se puede conocer su localización en el momento en que se enciende el teléfono, esto nos ha permitido obtener otras aplicaciones como es la incorporación de mapas de localización o seguir alguna ruta para llegar hacia un cierto destino. Se tiene tal precisión que es posible de acuerdo a la velocidad del usuario que se desplaza calcular la distancia y el tiempo en llegar al destino. Debido al mayor ancho de banda otros servicios se han incorporado tales como el envío de e-mails y el envío de fotografías. Algunas de las características técnicas de operación se muestran a continuación. Parámetro Modulación Método de acceso Tasa de comunicación Banda de frecuencia Espaciamiento entre bandas Codificación de la voz

Descripción Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK) TDMA/FDMA 270.833 K symbols/second GSM is 933 - 960 MHz 200 kHz linear predictive coding (LPC).

Parámetros técnicos de las comunicaciones GSM

Ejercicio 3

Resuelve los ejercicios 12-14 del cuadernillo de ejercicios sobre las comunicaciones y tecnología celular.

Otros servicios Has llegado al último tema con el cual concluimos el curso de comunicaciones digitales. Esta conclusión cierra con dos aspectos fundamentales de las comunicaciones, por un lado una reseña de la telefonía desde su inicio como una forma de comunicar oficinas y los hogares (mediante la denominada telefonía fija) y que ha crecido y evolucionado a la manera en que ahora se comunican las personas sin importar el sitio donde se

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encuentran. Por último se presenta también un resumen de los servicios de radiodifusión (televisión y radio) que también han comenzado su evolución hacia nuevas tendencias a futuro en donde se integra la tecnología totalmente digital y se espera la finalización de los servicios de televisión analógica. Además conocerás otra serie de aplicaciones y servicios de comunicación que empezamos a emplear en el futuro y que determinarán la forma en que nos comunicaremos en años próximos, se busca que refuerces el conocimiento de las principales tecnologías de comunicación y tengas un panorama de las nuevas tendencias.

Telefonía Los servicios de telefonía fija fueron por muchos años el principal medio para comunicar a las personas desde cualquier parte del mundo. Iniciaron su operación mediante líneas de cobre que se conectan desde hogares y oficinas hasta diferentes centrales telefónicas en donde equipos de conmutación permiten conectar a los usuarios de una central con otra central. Las características de la línea eran adecuadas para la transmisión de la voz en un rango de hasta 4000Hz aproximadamente, sin embargo otro tipo de señales se distorsionan rápidamente a través de las líneas. Por ejemplo en la línea de cobre no se consideró cambios en la fase de la señal debido a que el oído humano no detecta cambios de fase sin embargo cuando se inició el proceso de modulación tal y como lo estudiaste en la unidad 1 viste que la modulación de fase permite mejorar la tasa de comunicación y sin embargo la línea de cobre no es adecuada para este tipo de señal. En seguida la telefonía evolucionó hacia redes digitales también basadas en líneas de cobre. Para eso se inició el proceso de modulación pero limitado por los efectos de cambios de fase que también se fueron solucionando con la evolución de las líneas hacia líneas de fibra óptica. Mediante el uso de módems comenzó la transmisión de datos a través de las líneas de cobre. La forma en que una computadora se conectaba con otro dispositivo generó la necesidad de establecer para transmitir y recibir datos, denominadas handshaking en donde un usuario inicia la comunicación mientras otro recibe y posteriormente se le da la oportunidad de transmitir. Conforme se necesitaron sistemas de comunicación más complejos se requirió del uso de protocolos que son reglas en donde varios usuarios comparten el mismo medio de comunicación. La función del protocolo es organizar en paquetes la información, establecer reglas de control, e incorporar técnicas para detección y corrección de errores. Con estas reglas se logra mejorar la comunicación y la eficiencia. Otro aspecto fundamental en la telefonía digital es el uso de los sistemas de multicanalización para que diferentes usuarios utilicen el mismo medio. Una de las principales formas empleadas en telefonía es el acceso por división de tiempo o TDMA como lo estudiaste en la segunda unidad. La transmisión de voz en la telefonía digital se basa en la codificación de la señal mediante en proceso de

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modulación por código de pulsos en donde el canal básico de voz se codifica mediante una señal de 64 KHz, que es denominada DS0 y mediante la multicanalización se pueden agrupar un gran número se canales DS0 hasta integrarlos en un canal de mayor capacidad. Mediante la evolución hacia fibra óptica las tasas de transmisión fueron en aumento mediante las líneas T1 de 1.544Mbps, T2 de 6.312 Mbps, T3 de 44.736 Mbps y así en aumento. Gracias al incremento del ancho de banda no solo se logró mejorar el servicio de telefonía sino que se integraron nuevos servicios dando origen a una red de servicios integrados de voz, datos y video. Como lo estudiaste en la segunda unidad, las redes de fibra óptica han cubierto casi la totalidad del planeta. Por otro lado el desarrollo de las comunicaciones inalámbricas y la telefonía celular han permitido la evolución de esta tecnología a través de varias generaciones hasta lograr un servicio altamente confiable en donde se incluyen los estándares para la transmisión también de servicios adicionales a la voz. La telefonía celular inició con la finalidad de comunicar por voz a las personas dentro de un área de cobertura sin importar el sitio en donde se encuentran sin embargo hoy en día las personas comienzan a demandar también nuevos servicios a través del equipo celular, por ejemplo el correo electrónico, mensajería y video cada vez son mas utilizados. También se espera hacia el futuro un crecimiento enorme y la evolución de la telefonía celular hacia nuevos servicios inimaginables, observa el siguiente video para que te des una idea de los cambios que veremos en el futuro: Observa el video: Telefonía móvil hacia el futuro. http://www.youtube.com/watch?v=YyVm68fPEAY

No solamente la telefonía que se ha convertido hacia una forma de comunicación inalámbrica impacta la vida cotidiana sino también otras formas de comunicación inalámbrica tales como las redes de datos inalámbricas llamadas wifi comienzan a impactar en todos los ámbitos de la vida. Actualmente los equipos celulares ya están integrados a esta tecnología e inclusive permiten la comunicación de computadoras y equipos de datos por el medio inalámbrico.

Observa el video sobre evolución WiFi y su impacto a futuro: http://www.youtube.com/watch?v=UCES_WHLKdQ

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Como puedes observar la evolución de la telefonía ha llevado a tener otros servicios que poco apoco formarán parte de la vida diaria. De igual forma la transmisión de radio y televisión han sufrido de diferentes cambios, a continuación verás una reseña de esta evolución.

Radiodifusión y TV La radiodifusión, incluyendo televisión y radio ha sido también uno de los servicios que durante décadas han permitido la divulgación de noticias, música y distintos programas destinados a difundir programas para el público en general. Este es un medio de comunicación en donde se transmite en una sola dirección y los usuarios solamente pueden recibir la señal sin transmitir información de regreso. Así inició la transmisión de radio en los inicios del siglo XX, que comenzó empleando la modulación AM como lo estudiaste en este curso. Posteriormente se inicia las transmisiones en FM mejorando la calidad. Hacia 1961 inicia la transmisión en estéreo en donde se añade una segunda banda además de una portadora, pero incrementando el ancho de banda de la señal. Cabe mencionarse que una estación de radio llamada monofónica ocupa el espectro de 50 a 15 KHz. Las estaciones estereofónicas emplean además una portadora de 19 KHz y nuevamente ocupan otro espectro de frecuencia de 23 KHz a 38 KHz. En 1948 surge la televisión, que incorpora imágenes animadas en la transmisión. Para ello se realiza una modulación en amplitud para la señal de video y modulación en frecuencia para el audio. Las estaciones de televisión ocupan las bandas de VHF y UHF; en la siguiente tabla se puede observar las principales bandas empleadas en la televisión, que el día de hoy denominamos analógica.

Canales VHF 2-4 VHF 5-6 VHF 7-13 UHF 14-69

Frecuencias 54-72 MHz 76-88 MHz 174-216 MHz 470-890 MHz Bandas de frecuencia para los servicios de televisión

Gracias también a la invención del transistor fue posible desarrollar mejores y más compactos sistemas de recepción. Surge posteriormente la televisión a color, gracias al científico mexicano González Camarena. En diferentes países de desarrollan otros tipos de formatos para el video. El sistema NTSC ( dado por el National Television System

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Committee) que es principalmente empleado en el norte de américa y centroamerica; el sistema PAL en Europa y el sistema SECAM en países de Asia y Africa.

Sistemas de TV en el mundo tomado de http://es.wikipedia.org/wiki/NTSC

El desarrollo de las comunicaciones satelitales también logró impulsar la evolución y crecimiento de la televisión, ya que de esa forma se logro transmitir programas y noticias a todo el mundo. Sin embargo también en años recientes la evolución hacia las tecnologías digitales también ha afectado la televisión y el radio. La televisión digital o DTV permite transmitir la misma señal de video pero en forma digital, sin embargo esto significa modificar las cámaras digitales, el medio de comunicación y los equipos de recepción a tecnología digital. En este curso has estudiado principalmente los medios de comunicación digital que permiten este tipo de transmisión, que como has visto la fibra óptica es uno de ellos y el más adecuado para transmitir también la televisión digital, una de las formas más comunes de televisión digital es la terrestre. Con esta tecnología se ha tenido que desarrollar nuevos protocolos para la transmisión., surge el estándar ISDB-T (o Integrated Services Digital Broadcasting) que fueron las normas creadas por Japón para la transmisión de radio digital y televisión digital. Este estándar define las características técnicas de la transmisión, receptores de televisión, decodificadores etc.

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Actuales estándares en televisión digital tomado de http://es.wikipedia.org/wiki/DVB-T

Otro tipo de protocolo de transmisión digital es ATSC (dado por el Comité de Sistemas de Televisión Avanzado ) que es que se ha adoptado en México y que define este estándar, que también puedes descargarlo directamente de http://www.atsc.org/cms/ . Por otro lado el estándar europeo se denomina DVB-T, y puedes observar en el mapa que en américa latina Colombia y Panamá adoptaron este estándar. Un aspecto importante que debes considerar y que lo has analizado desde el inicio del curso es la necesidad de liberar el espectro de radiofrecuencia de la banda de 700 MHz en donde se prevee ser utilizado para servicios de banda ancha móvil. Esto representa llevar a cabo el llamado apagón analógico y para ello es necesario lograr que los usuarios se transformen hacia los receptores digitales, servicios de tv por cable de paga y acceso a decodificadores digitales. Este es un proceso inevitable que debemos enfrentar, algunos países ya concluyeron este llamado apagón analógico tales como Holanda, Suecia, Finlandia, Alemania entre otros han sido de los primeros el lograrlo. Por otro lado existe también otra forma de transmisión de la señal de televisión abierta que es denominado Televisión Digital Abierta y que representa la emisión de la señal de televisión en formato totalmente digital por el medio inalámbrico. Sin embargo debido a la naturaleza de esta señal no es posible recibirla mediante los receptores analógicos tradicionales sino que se requiere una televisión digital moderna o bien un equipo denominado decodificador conectado a una televisión analógica tradicional. La sustitución de la televisión analógica por emisión exclusivamente digital se programó inicialmente para el año 2021 pero se ha adelantado para el año 2015, fecha en que se realizará el apagón analógico, sin embargo el proceso será gradual y por ciudades. El apagón analógico dará paso a la televisión digital terrestre y se requerirán todos los televisores digitales o mediante convertidores de señal.

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Como te has dado cuenta a lo largo del presente curso, has aprendido las herramientas y bases teóricas de la comunicación digital sin embargo también se han mostrado las implicaciones de las tecnologías de comunicación dentro de distintas áreas y aplicaciones diarias con la finalidad de que veas la importancia las diferentes tendencias a futuro.

Evidencia de aprendizaje. Analizando los alcances A continuación desarrolla la evidencia de aprendizaje de la unidad 3. En esta actividad vas a desarrollar un caso de aplicación de comunicación basado en simulación por computadora, para ello resolverás el caso que te presentará tu facilitaros(a) en el cual te solicitará resolver y simular un problema de comunicación inalámbrica y mostrar los resultados de dicha simulación. Para esta actividad nuevamente se recomienda el uso de Radio Mobile Lee y analiza con detalle la propuesta de tu docente, ahí encontrarás el caso de comunicación que deberás simular y la forma de presentar los resultados. Te sugerimos las siguientes recomendaciones 1. Se presenta una necesidad de comunicación inalámbrica, en donde comenzarás con seleccionar adecuadamente los puntos de comunicación mediante sus coordenadas y posteriormente desarrolla adecuadamente la simulación para obtener los resultados solicitados. 2. Es importante que analices los resultados y en un archivo entregues un resumen con las gráficas y figuras como te lo solicita tu facilitador. Evita solamente copiar y pegar imágenes, aún cuando tu mismo hayas realizado la simulación.. 3. Guarda tu archivo con el nombre KSCD_U3_EA_XXYZ. 4. Envía tu archivo para su revisión y espera la retroalimentación de tu docente. De ser requerido lo tendrás que volver a enviar. 5. No olvides revisar la rúbrica de evaluación de la evidencia.

Autorreflexión Al terminar la Evidencia de aprendizaje es muy importante hacer tu Autorreflexión. Para ello, Ingresa al foro de de Autorreflexión.

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Cierre de la unidad En esta Unidad estudiaste los medios inalámbricos de comunicación, sus principios y la forma en que se propagan las ondas de radio considerando principalmente los efectos de atenuación de la señal durante su emisión. Estudiaste las transmisiones en distintos rangos de frecuencia y sobre todo las aplicaciones de microondas terrestres y satelitales. Otro tema de interés fue el estudio de las comunicaciones celulares, su evolución y las principales generaciones que se han tenido desde su creación. Finalmente, se ha presentado una reseña de la evolución de la telefonía como un medio que inicialmente fue por cable y actualmente es la telefonía celular aún más utilizada que la misma telefonía fija. De igual forma estudiaste la evolución de la televisión que tradicionalmente se ha transmitido por radio y el futuro apunta hacia la difusión por medios de fibra óptica principalmente. La presente unidad te ha dado las herramientas para que entiendas los medios inalámbricos de comunicación, desde el conocimiento de las antenas, la emisión de la señal electromagnética y transmisión de la señal. Los ejemplos de aplicación mediante simulaciones te permitieron aplicar el conocimiento en un caso práctico que te ha permitido aplicar el conocimiento. Además de esta unidad en general el curso completo te ha permitido entender los principios de las tecnologías de comunicación digital comenzando con la teoría básica de transmisión de información digital y modulación de señales tanto analógicas como digitales. Inicialmente mediante programas de simulación matemática estudiaste la teoría de modulación y diversos casos de transmisión de señales, que fue el principal objetivo de la unidad 1, además de estudiar la función de los principales órganos reguladores en las telecomunicaciones. Por otro lado, también estudiaste los medios guiados de transmisión de información, tanto por cable de cobre como mediante la fibra óptica, y sus principales propiedades en la unidad 2. Asimismo analizaste las características de las líneas de cobre y su operación a altas frecuencias (con ayuda de la carta de Smith) y por otro lado estudiaste las ventajas de la fibra óptica y sus principales parámetros, y la forma en que han permitido el gran crecimiento en velocidades y capacidad para integrar distintos servicios en el mismo medio que son requeridos el día de hoy. Por último estudiaste el medio inalámbrico para la transmisión de las señales, desde el estudio de las antenas y la propagación de la señal, considerando el uso del espectro de radiofrecuencia y en especial en la banda de microondas que ha tenido gran crecimiento recientemente, en aplicaciones de microondas terrestres, satelitales entre otras. La conclusión que se busca que consideres como el cierre de esta unidad y sobre todo del curso mismo es la importancia de administrar correctamente el uso del espectro de

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radiofrecuencia y el impacto que tendrá a futuro, ya que también afectarán los medios guiados de comunicación Distintos cambios se estarán presentando en los próximos años en la forma en que se administran y organizan los servicios de comunicaciones. La televisión analógica dejará de transmitirse hacia el 2015 y esto permitirá liberar un espacio de frecuencia sin embargo también impactará en la forma en que se recibe la señal en los hogares. Como lo has visto desde el inicio del curso el principal objetivo ha sido el conocer los elementos de un sistema de comunicación digital sus funciones y características. Esto lo has visto a lo largo de as diferentes unidades y los casos de aplicación se han podido ejemplificar mediante el estudio de la forma en que se realiza la transmisión de información digital mediante programas de simulación y en el caso de la transmisión inalámbrica también analizaste la aplicación mediante un caso de comunicación vía radio. Las herramientas aquí estudiadas podrán ser aplicadas a distintos cursos avanzados de comunicaciones un gran número de aplicaciones se basan en las comunicaciones digitales y el presente curso será de gran utilidad en cursos donde estudias temas tales como la transmisión de datos, el medio físico para redes, medición remota o telemetría, telefonía, compresión de imágenes o video e innumerables aplicaciones adicionales. Las herramientas de simulación podrán ser utilizadas en aquellos cursos que también lo requieran.

Para saber más Las redes de datos inalámbricas son hoy en día una de las principales formas de comunicación entre computadoras, la mayoría de los enlaces a internet se realizan desde un dispositivo denominado módem y el resto de los equipos se conectan a través de una red inalámbrica. El principal estándar en redes inalámbricas está dado por el tipo IEEE 802.11 que describe el acceso físico al medio así como el protocolo para realizar dicho acceso. Existen para eso diferentes versiones de la norma y puedes consultar algunos ejemplos en la siguiente liga http://andersonramirez.tripod.com/ieee802.htm. Existen además otras tecnologías inalámbricas que también son muy empleadas el día de hoy y que la mayoría utilizamos todos los días como son: bluetooth, que principalmente se desarrolló con la finalidad de eliminar cables y conexiones entre computadoras, impresoras, teléfonos etc. Este estándar define una transmisión de información en la frecuencia de 2.4 GHz. Dentro del estándar existen tres distintos niveles de potencia de transmisión que son para alcances desde 1 m hasta casi 100 m. Una vez que se habilita un dispositivo bluetooh comienza un proceso de búsqueda (inquiry) para descubrir otros dispositivos bluetooth, sin embargo se

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establece la comunicación solamente con uno a la vez. El tipo de modulación empleada es FSK con un filtro gaussiano, con una separación entre frecuencias de 160 kHz y que permite una tasa de comunicación de hasta 1 Mbps aun cuando existe una nueva versión que busca incrementar la velocidad a 3 Mbps. De forma similar existe otro medio de comunicación inalámbrico denominado Zigbee que a diferencia de bluetooth permite una comunicación a tasas menores y es empleado para transmisión de señales en sistemas electrónicos tales como automatización de edificios, monitoreo remoto, control, y puede emplear bandas de frecuencia desde 868 MHz, 915 MHz o 2.4 GHz. Un ejemplo interesante mediante el estándar zigbee es en casos de automatización en donde diversos dispositivos a automatizar se pueden interconectar formando una red inalámbrica zigbee que puede ir creciendo cada vez mas. En el siguiente ejemplo puedes la información que ofrece una empresa dedicada a la automatización de edificios y como se puede instalar una red zigbee mas compleja

Caso de aplicación de una red Zigbee tomado de www.sensornet.com

Dos importantes aspectos de las comunicaciones satelitales son los tipos de comunicación llamados VSAT (Very Small Aperture Terminal) y MSAT (ultra small Mobile Satellite Aperture Terminal) que son aplicaciones en donde se busca mediante comunicación satelital conectar a usuarios Una de las topologías empleadas para esta aplicación es mediante la conexión de múltiples estaciones individuales todas ellas conectadas a una estación central. Una aplicación de este tipo es en la comunicación entre camiones que reparten mercancía a lo largo de los Estados Unidos y conectados mediante un enlace satelital hacia una estación central. La característica principal de este tipo de comunicación es que se

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establece una comunicación punto a punto mediante antenas generalmente pequeñas (consideradas menores a aproximadamente 2 metros de diámetro) Empleando para el enlace un satélite geoestacionario. Un caso interesante también y que puedes consultar en al artículo tomado del NY times consultado en http://www.nytimes.com/1988/10/26/business/business-technology-satellite-use-bybusiness-is-growing.html?src=pm es la aplicación de la red VSAT de la empresa automotriz Chrysler que conecta sus oficinas centrales en Highland Park Michigan con más de 6000 distribuidores de autos en los Estados Unidos, en donde se muestra esta tecnología como una opción económica para lao operaciones de comunicación entre las empresas.

Fuentes de consulta Fuentes básicas 

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