Br Ever Evan Ten Aspro Pag

1Revisin de Conceptos Bsicos de Antenas y Propagacin

Ivn Bernal, [email protected]

Quito Ecuador

Copyright @2008, I. Bernal

AgendaAgenda

Visin general de antenas

Algunos tipos de antenas

Parmetros de las antenas

Mecanismos de propagacin

Desvanecimiento

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

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

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

BibliografaBibliografaBibliografaBibliografa

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

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

ISBN 1-58053-542-9


AntenasAntenasAntenasAntenas Un conductor o sistema de conductores utilizados para radiar o

recolectar energa electromagntica.Para transmitir una seal, la antena transforma energa elctrica del transmisor en

energa electromagntica, la cual es radiada en el ambiente circundante (atmsfera, g g , ( ,espacio, agua).Para recepcin de una seal, la energa electromagntica que llega a la antena se

convierte en energa elctrica y se alimenta al receptor.En comunicaciones de dos vas, la misma antena puede usarse tanto para

transmisin como para recepcin. Las antenas son dispositivos recprocos.

9L t ti d t l i t t t iti


9Las caractersticas de una antena son las mismas tanto para trasmitir como para recibir energa electromagntica.9Una antena es igual de eficiente transfiriendo energa del medio circundante hacia

los terminales de entrada de su receptor , que transfiriendo energa de los terminales de salida de su transmisor hacia el medio circundante (a la misma frecuencia).

3AntenasAntenasAntenasAntenas


AntenasAntenasAntenasAntenas




AntenasAntenasAntenasAntenas




http://seattlewireless.net/PringlesCantenna

AntenasAntenasAntenasAntenas Una antena puede radiar energa en todas las direcciones pero no

necesariamente lo hace de manera uniforme en todas las direcciones.

Patrones de radiacinR t i fi d l i d d d di i d t f i d lRepresentacin grfica de las propiedades de radiacin de una antena como una funcin de las

coordenadas espaciales.

El patrn de radiacin ms simple corresponde a la antena isotrpica (ideal).

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

El patrn de radiacin real sera una esfera


El patrn de radiacin real sera una esfera (3D), con la antena en el centro de la esfera.

Lo comn es representar un corte transversal (2D) del patrn 3D.



AntenasAntenasAntenasAntenas Patrones de radiacin

La distancia desde la antena a cada punto del patrn de radiacin es proporcional a la potencia radiada por la antena en esa direccin.

El tamao real de un patrn de radiacin es arbitrario.Lo importante es la distancia relativa desde la antena en cada direccin.

9La distancia relativa determina la potencia relativa.9Para determinar la potencia relativa en una direccin dada, se dibuja una lnea

desde la posicin de la antena (considerando el ngulo apropiado) y el punto de intercepcin con el patrn de radiacin.

En la figura se comparan dos ngulos de transmisin: A y B


transmisin: A y B. La antena isotrpica produce un patrn de

radiacin omnidireccional.

Los vectores A y B son de igual longitud.

7AntenasAntenasAntenasAntenas Patrones de radiacin

La figura presenta el patrn de radiacin de otra antena ideal.La antena es direccional.La direccin de radiacin preferida est a lo largo de uno de los ejes. Comparando las direcciones de transmisin A y B, se nota que el vector B es mas grande

que el A, lo que indica que se radiar mas potencia en la direccin de B.

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



La congestin del espectro radioelctrico, debido al creciente nmero de usuarios y aplicaciones, impone requerimientos estrictos para las antenas.

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





Los patrones de radiacin permiten determinar el ancho del haz de radiacin de una antena, que es una medida de su directividad.Se conoce tambin como el ancho del haz de media potencia.pEn transmisin, es el ngulo dentro del cual la potencia radiada por la antena es al

menos la mitad de la potencia radiada, en la direccin preferida.

En recepcin, la seccin mas grande del patrn de radiacin indica la mejor direccin para recepcin.

La mayor cantidad de potencia radiada en una direccin es a expensas de la radiada en otras direcciones.E l t d lt i di i l d f i


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

Antenas de baja ganancia dirigen su energa en un patrn mas amplio, mas ancho.Se debe llegar a compromisos: si se desea un rango mximo, se debe sacrificar

cobertura.

9Tipos de AntenasTipos de AntenasTipos de AntenasTipos de Antenas A las antenas (reales) se las clasifica generalmente como

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

li i d d d l t ( l i i ) d d l i t duna alineacin adecuada de la antena (polarizacin) y un adecuado acoplamiento de impedancias:Se debe acoplar adecuadamente la lnea de transmisin a la antena, para que sta

transfiera la mayor cantidad de potencia a la antena, evitando que se disipe energa en la lnea y conectores o que la misma lnea radie la energa.


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


10

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


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


11

Tipos de AntenasTipos de AntenasTipos de AntenasTipos de Antenas Dipolos

Dipolo de media onda (half-wave dipole)Conocido como antena HERTZ.Consiste de dos conductores rectos colineales de igual longitud, con un pequeo espacio g g , p q p

de separacin entre los conductores.

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

Tiene un patrn de radiacin omnidireccional en una dimensin y la forma de un 8 en las otras dos dimensiones.



Patrn horizontal es omnidireccional


12





13

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

Conocido como antena MARCONI.Utilizada frecuentemente para los radios de los automviles y radios porttiles.


Tipos de AntenasTipos de AntenasTipos de AntenasTipos de Antenas Antena Reflectiva Parablica

Se utiliza para aplicaciones de microonda terrestres y satelitales.Recibe el nombre de parbola el conjunto de puntos (P), tales que su distancia a una

recta fija llamada directriz, es igual a su distancia a un punto fijo llamado foco.recta fija llamada directriz, es igual a su distancia a un punto fijo llamado foco.Es el conjunto de puntos en los que la relacin de distancias entre P al foco y P a la

directriz es constante, y dicha relacin adems es igual a uno.

9P1F/P1L=P2F/P2L = 19Es decir que satisfacen la ecuacin PF = PL


14


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



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

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

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


j y

15


La figura presenta un patrn de radiacin tpico para una antena parablica.



En la tabla se presentan el ancho de los haces de radiacin para antenas parablicas de diferente dimetro, a una frecuencia de 12 GHz.Ntese que a mayor dimetro se obtiene mayor direccionalidad.q y y

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

0.5 3.5

0.75 2.33

1.0 1.75


1.5 1.166

2.0 0.875

2.5 0.7

5.0 0.35

16

Tipos de AntenasTipos de AntenasTipos de AntenasTipos de Antenas Antena Reflectiva ParablicaFoco Primario (prime focus)

El alimentador est ubicado en el foco.

El LNB est obstruyendo la parbola

9Tendra que ser mas grande que una Offset.

9Tipicamente se usan como antenas TVRO (TV Reception Only ).


CASSEGRAIN-GREGORIANTienen un reflector principal y un

subreflector.

9Permite tener el feed (TX, LNA o LNB) dentro del hub (Tambor) de la antena


OFFSETEl reflector tiene una geometra tal que el foco no est en

el centro del plato, sino un poco mas abajo, de manera que no obstruye el haz.

Permite hacer antenas de bajo costo y tamao pequeo comparado con otras de iguales caractersticas de otras geometras.


17

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


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

Cualquier elemento que se aade al dipolo bsico de media longitud de onda se denomina elemento pasivo y no est conectado elctricamente al dipolo.p y p

Directores (elemento pasivo): Alteran la directividad para que la ganancia se

mejore al frente del dipolo.

Mientras mas directores la antena es mejor en captar seales de la fuente y rechazar seales de otros ngulos.

Un nuevo director es cada vez menos efectivo


Un nuevo director es cada vez menos efectivo.El espaciamiento entre los directores, el dimetro

de los conductores, el espacio entre el primer director y el dipolo son de importancia.

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

18

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

Reflector (elemento pasivo): Refleja las seales que vienen por el lado

de atrs del dipolo mejorando la ganancia adelante.


Tipos de AntenasTipos de AntenasTipos de AntenasTipos de Antenas


19



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


20



Tipos de AntenasTipos de AntenasTipos de AntenasTipos de Antenas Antenas Patch

Un poco mas complicadas que los dipolos.Se fabrican usando dos placas paralelas de

metal, formando un sndwich con unmetal, formando un sndwich con un aislante en la mitad.


21

Parmetros de las AntenasParmetros de las AntenasParmetros de las AntenasParmetros de las Antenas Ganancia

Ancho de banda

Ancho del haz (beamwidth)

Polarizacin


Parmetros de las AntenasParmetros de las AntenasParmetros de las AntenasParmetros de las Antenas Ganancia de una antena

Es una medida de la direccionalidad de una antena.No se refiere a obtener mayor potencia de salida que una potencia de entrada.Es esencialmente una medida de cuan bien la antena concentra la energa radiada en g

una direccin particular.

Se define como la potencia de salida, en una direccin particular, comparada a la producida por una antena isotrpica (ideal). Una ganancia de 3 dB indica que la antena en estudio, en una direccin dada, es mejor

que la isotrpica en un factor de 2.

Se mide en dBi y dBd.


Respecto al radiador isotrpico o un dipolo.0 dBd equivalen a 2.14 dBi.

9Para convertir una ganancia en dBd a dBi, se aade 2.14.

22




rea efectiva Est relacionada al tamao fsico de la antena y su forma. Se basa en asumir una antena ideal en la que la radiacin incidente sobre un rea efectiva es

absorbida y transferida al receptor (sin re radiacin)absorbida y transferida al receptor (sin re-radiacin).

9 Esta antena ideal absorbe tanta energa como la antena real. Otra forma de ver este concepto:

9 Es el rea que cuando multiplicada por un flujo de energa incidente (promediado en el tiempo), nos entrega la mxima potencia recibida por la antena.

Para la antena isotrpica ideal, que es un punto, de que rea se habla?

2'2

4 ==eA

2

' =


9 rea del crculo con radio 4e 2

'

23


rea efectiva Para una antena alargada que puede parecer esencialmente unidimensional, de que rea se habla?

9 El concepto de rea efectiva indica que posee una segunda dimensin determinada por P l d di l i d d d

Para la antena de media longitud de onda

9 Un rectngulo con una de las dimensiones igual a la longitud fsica de la antena y la otra de aproximadamente /4.

La relacin entre ganancia y Ae para cualquier antena es:

( )

26.0

2264.1

2464.1 2

=

==eA


La relacin entre ganancia y Ae para cualquier antena es:

Parmetros de las AntenasParmetros de las AntenasParmetros de las AntenasParmetros de las Antenas Ancho de banda

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

Mientras mayor es el rango de frecuencia que abarca una banda, mayor debe ser elMientras mayor es el rango de frecuencia que abarca una banda, mayor debe ser el ancho de banda de la antena. Si se disea una antena para un gran ancho de banda, generalmente no tendr tan buen

comportamiento como una antena similar optimizada en un ancho de banda mas pequeo.


24

Parmetros de las AntenasParmetros de las AntenasParmetros de las AntenasParmetros de las Antenas Ancho del haz (beamwidth)

Es una medida para describir antenas direccionales.

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

Es el ancho total en grados, sobre el lbulo de radiacin principal, medidos en los puntos en los que la potencia radiada ha disminuido 3 dB respecto a la direccin de la lnea


central del lbulo.

Parmetros de las AntenasParmetros de las AntenasParmetros de las AntenasParmetros de las Antenas

PolarizacinLas ondas de radio estn constituidas por dos campos: el elctrico y el magntico.

Estos campos son perpendiculares entre si.La combinacin de los dos es el campo electromagntico.p g

La polarizacin viene definida por la trayectoria que describe el vector de campo elctrico (o magntico) cuando se observa en el sentido de propagacin de la onda.

Forma fcil de visualizar:La posicin y direccin del campo elctrico con referencia a la superficie de la tierra

determina la polarizacin de la onda.

9 Polarizacin Horizontal: el campo elctrico es paralelo a tierra.


9Polarizacin Vertical: el campo elctrico es perpendicular a tierra.Normalmente, dos antenas que forman un enlace deben colocarse para tener la

misma polarizacin.

25

Parmetros de las AntenasParmetros de las AntenasParmetros de las AntenasParmetros de las Antenas Polarizacin

Polarizacin lineal: las variaciones del vector de campo elctrico estn contenidas una nica direccin.

Polarizacin circular: el vector de campo elctrico describe una trayectoria circular. Si rota en el sentido de las agujas del reloj, la polarizacin es de mano derecha. (right-

handed)

Si lo hace en sentido contrario, la polarizacin es de mano izquierda ( left-handed).Polarizacin elptica: el vector de campo elctrico describe una trayectoria elptica.

Se puede distinguir entre polarizacin elptica de mano derecha e izquierda.


Parmetros de las AntenasParmetros de las AntenasParmetros de las AntenasParmetros de las Antenas Polarizacin cruzada (Cross-Polarization)

Cuando dos antenas no tienen la misma polarizacin.Si se tienen dos antenas, ambas con polarizacin lineal, pero una tiene polarizacin

vertical y la otra polarizacin horizontal.

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

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

las antenas de un enlace B.

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


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

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

26





27

PIREPIREPIREPIRE Effective Isotropic Radiated Power (EIRP)

Potencia Isotrpicamente Radiada Efectiva (PIRE)

Es la potencia equivalente de una seal transmitida en trminos de p qun radiador isotrpico.

PIRE es la suma de la potencia de transmisin y la ganancia de la antena (menos la prdida en los cables y acoplamiento). Es el producto Pt.Gt


Se expresa en watts (W). Para un valor de potencia transmitida Pt ,el PIRE aumenta con la ganancia de la

antena transmisora Gt.

PropagacinPropagacinPropagacinPropagacin La seal radiada por una antena tiene tres modos que siguen

diferentes rutas de viaje:Onda terrestre (ground wave).Onda espacial (sky wave).Lnea de vista (line of sight, LOS). **

Es el de inters en el curso.

Cada modo de propagacin indicado predomina de acuerdo al rango de frecuencia en el que se trabaje.


28

PropagacinPropagacinPropagacinPropagacin Propagacin por onda terrestre

Hasta 2 MHz Ejemplo: radio AM (amplitud modulada)Si se usa una torre para una antena AM usando /4 a 810 kHz se tendra una longitud p g

de 88 m.

Mas o menos sigue el contorno de la tierra (curvatura del planeta) y puede propagarse grandes distancias, ms all de la lnea de horizonte visual.La onda electromagntica induce una corriente en la superficie de la tierra, lo que

provoca que la onda se incline hacia la tierra y siga su curvatura.

La difraccin tambin contribuye.9C i d l d l i f b l


9Comportamiento de la onda electromagntica frente a obstculos.En este rango de frecuencia, las ondas son dispersadas por la atmsfera.

9Las ondas no pueden penetrar la atmsfera superior.

PropagacinPropagacinPropagacinPropagacin Propagacin por onda terrestre


29

PropagacinPropagacinPropagacinPropagacin Propagacin por onda sky

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

La seal es reflejada por la capa superior ionizada de la atmsfera (ionosfera) deLa seal es reflejada por la capa superior ionizada de la atmsfera (ionosfera) de vuelta hacia la tierra.Efecto de reflexin causado en realidad por refraccin.Las ondas sufren mltiples saltos, inciden en la ionosfera y de vuelta a la superficie de la

tierra.

Una seal puede captarse a miles de kilmetros del transmisor.


PropagacinPropagacinPropagacinPropagacin Propagacin por onda sky


30

PropagacinPropagacinPropagacinPropagacin Propagacin por LOS.

Sobre los 30 MHz no opera ninguno de los modos descritos.Para comunicaciones satelitales:

Seales sobre los 30 MHz no son reflejadas por la ionosferaSeales sobre los 30 MHz no son reflejadas por la ionosfera.Se puede transmitir desde una estacin terrena y desde un satlite.

Para comunicaciones terrestres, las antenas de transmisin y recepcin deben estar dentro del rango de una lnea de vista efectivaefectiva.Efectiva hace referencia debido a que las seales de microonda son refractadas

(dobladas) por la atmsfera.

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


microondas se doblan en la direccin de la curvatura de la tierra y se propagan ms all de la lnea de vista ptica.

PropagacinPropagacinPropagacinPropagacin Propagacin por LOS


31

ReflexinReflexinReflexinReflexin Una onda incidente en una

superficie reflectora, ser reflejada con un ngulo igual al ngulo incidente.Los ngulos son medidos respecto a la

normal a la superficie.

La onda electromagntica incide sobre superficies que


incide sobre superficies que sean grandes en relacin a su longitud de onda.

RefraccinRefraccinRefraccinRefraccin Se produce debido a que una onda electromagntica (luz o radio)

viaja a una velocidad que depende de la densidad del medio por el que se desplaza.En el vaco a 3x 108 m/s (la constante c, velocidad de la luz en el vaco).En otros medios transparentes (aire, agua, vidrio, etc.) o parcialmente transparentes

las ondas electromagnticas viajan a velocidades menores que c.

Cuando una onda pasa de un medio con cierta densidad, a otro medio con diferente densidad, su velocidad cambia.


El efecto es que la direccin de la onda cambia,una sola vez, en el lmite entre los dos medios.

32

RefraccinRefraccinRefraccinRefraccin Ley de Snell

La relacin de los ndices de refraccin de los medios es a la relacin de los senos de los ngulos de refraccin e incidencia.

ndice de refraccin ndice de un medio es calculado en comparacin con el ndice del vaco.Vara con la longitud de onda, por lo que los efectos de refraccin difieren para

seales con diferente frecuencia.


RefraccinRefraccinRefraccinRefraccin La figura muestra un nico cambio abrupto.

Es posible que el ndice del medio vaya cambiando gradualmente, lo que dara como resultado un doblamiento gradual de la seallo que dara como resultado un doblamiento gradual de la seal.

El ndice de refraccin de la atmsfera disminuye con la altura por lo que las ondas viajan mas lentamente cerca del suelo

d lt


que a grandes alturas.

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

33

DifraccinDifraccinDifraccinDifraccin Las ondas tiene la capacidad de doblarse en las esquinas o bordes

de un objeto (difraccin).La seal no es cero detrs de las barrera, en la regin de sombra.Los efectos de difraccin se producen cuando la onda choca contra los bordes de un

cuerpo impenetrable que es grande en relacin a la longitud de onda de la seal.

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


Dispersin (Dispersin (ScatteringScattering))Dispersin (Dispersin (ScatteringScattering)) Fenmeno en el cual la direccin, frecuencia o polarizacin de la

onda es cambiada cuando la onda encuentra discontinuidades en el medio, o interacta con el material a nivel atmico o molecular.Di i lt bi l t i d d d l di t ib i d lDispersin resulta en un cambio aleatorio o desordenado en la distribucin de la

energa incidente.

Cuando el tamao de los obstculos est en el orden de la longitud de onda de la seal transmitida.

Una seal es dispersada en varias seales ms dbiles, por lo


p , pque son difciles de predecir.

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

34

Transmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vista Los factores que influyen en un enlace de comunicaciones usando

lnea de vista, modificando la seal recibida son:Atenuacin y distorsin por atenuacinPrdidas por espacio libre (Free space loss)Ruido (Noise) / Ruido TrmicoAbsorcin AtmosfricaMultipath


Transmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vista Atenuacin y distorsin por atenuacin

La intensidad de una seal decae con la distancia en cualquier medio de transmisin. En medios guiados, la atenuacin es exponencial y se expresa como una constante g , p y p

(db/m).

En medios no guiados, la atenuacin es una funcin mas compleja de la distancia y de las condiciones atmosfricas.

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

interpretarla.

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


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

3. La atenuacin es mayor a mayores frecuencias, causando distorsin.

35

Transmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vista Atenuacin y distorsin por atenuacin

Factores a considerarse en medios no guiados: Los problemas 1 y 2 se solventan con niveles de potencia adecuados en transmisin y el

uso de amplificadores y repetidores.9 En transmisiones punto-punto:

Se debe tener una intensidad adecuada para recibir inteligiblemente la seal, pero no muy alta como para saturar el transmisor o el receptor, causando distorsin.

Mas all de una cierta distancia, la atenuacin ser inaceptable, y se usan amplificadores y repetidores a intervalos regulares de distancia.

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

El problema 3 se conoce como distorsin por atenuacin.


9 La atenuacin vara en funcin de la frecuencia, distorsionando la seal recibida.9 Las componentes de frecuencia de la seal recibida tendrn diferentes

intensidades relativas a las de las componentes de frecuencia de la seal transmitida. Se utilizan ecualizadores para ecualizar la atenuacin en una banda de frecuencia, as

un amplificador puede amplificar las altas frecuencias mas que las bajas.

Transmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vista Prdidas por espacio libre (Free space loss)

En cualquier sistema inalmbrico, la seal se dispersa con la distancia. Una antena recibir menor nivel de seal mientras mas alejada se encuentre del transmisor,

manteniendo fija el rea de la antena.

Es la fuente principal de prdidas en comunicaciones satelitales Es la fuente principal de prdidas en comunicaciones satelitales. An si no hubiese otras fuentes de atenuacin, una seal transmitida se atena porque la

seal se distribuye en un rea cada vez mas grande.


36


Para la antena isotrpica ideal:

( ) ( )22 44 fddPt Pt = potencia de la seal en la

antena de transmisin

Pr = potencia de la seal en la antena de recepcin( ) ( )

22

44cfdd

PP

r

t ==

== d

PPL

r

tdB

4log20log10

( ) ( )

p

= longitud de onda de la portadora

d = distancia de propagacin ente las antenas

c = velocidad de la luz (3x10 8 m/s)9 Con d y en las mismas

unidades (e.g., metros)


( ) ( ) dB98.21log20log20 ++= d( ) ( ) dB 56.147log20log204log20 +=

= df

cfd



( ) ( ) dB 44.32log20log20 ++= KmdMHzfLdB( ) ( ) dB 56.147log20log20 += dfLdB

37


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

( ) ( ) ( ) ( )cdddP 22224 Gt = ganancia de la antena de transmisin Gr = ganancia de la antena de recepcin A f i d l d( ) ( ) ( ) ( )

trtrtrr

t

AAfcd

AAd

GGd

PP

22

4 === At = rea efectiva de la antena de

transmisin

Ar = rea efectiva de la antena de recepcin

( ) ( ) ( )rtdB AAdL log10log20log20 += 2

2

2

44c

AfAG ee ==


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


Para una antena isotrpica ideal:

( ) ( ) dB 56.147log20log20 += dfLdB Para la misma separacin: a mayor frecuencia: mayoresmayores prdidas por espacio libre.

Para una antena que nono sea la isotrpica ideal:

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

Para las mismas dimensiones de la antena y separacin: a mayor frecuencia menoresmenores prdidas

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


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

38

Transmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vista Ruido

La seal recibida es una versin modificada de la seal transmitida. Modificada por las diferentes distorsiones impuestas por el sistema de transmisin mas seales

adicionales no deseadas que se insertan en algn lugar entre el transmisor y el receptor.

9 Ruido se refiere a estas seales no deseadas9 Ruido se refiere a estas seales no deseadas. El ruido es el mayor factor limitante en el rendimiento de un sistema de comunicaciones. Categoras:

Ruido trmico (Thermal Noise) Ruido por intermodulacin (Intermodulation noise) Crosstalk Ruido Impulsivo (Impulse Noise)


Transmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vista Ruido trmico (Thermal Noise)

Se debe a la agitacin termal de los electrones. Es funcin de la temperatura. Est uniformemente distribuido en el espectro de frecuencia por lo que se le conoce como

RUIDO BLANCO (white noise).

Presente en todo dispositivo electrnico y medio de transmisin. No puede ser eliminado e impone lmites en el rendimiento de los sistemas de comunicacin. Particularmente significativo en comunicaciones satelitales debido a la baja intensidad de las

seales que se reciben en las estaciones terrenas.

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


N0 = densidad de potencia del ruido en watts por 1 Hz de ancho de banda k = constante de Boltzmann = 1.3803 x 10-23 J/K T = temperatura, in grados kelvin (temperatura absoluta )

( )W/Hzk0 TN =

39

Transmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vista Ruido trmico (Thermal Noise)

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

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

BT log10 log 10dBW 6.228 ++=


Transmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vista Ruido de Intermodulacin

Cuando se producen seales a frecuencias (f1+f2) o (f1-f2), o mltiplos de estas frecuencias. Estas seales no son deseadas y pueden interferir con seales que fueron diseadas para

trabajar a esas frecuencias.

f1 y f2 podran ser las frecuencias asociadas en un proceso de modulacin, o un proceso de mezcla de frecuencias.

Este tipo de ruido se produce por las no linearidades existentes en dispositivos de transmisin, recepcin. Estos sistemas normalmente operan de forma lineal (la seal de salida es una constante

multiplicada por la seal de entrada).

Cuando operan en forma no lineal la salida es un funcin mas compleja de la entrada.9 M l f i i t d t


9 Mal funcionamiento de un componente.9 Intensidad excesiva de la seal de entrada que produce saturacin de dispositivos.9 La naturaleza de los Amplificadores.

40

Transmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vista Crosstalk (Diafona)

Recordar si alguna vez durante una conversacin telefnica se ha escuchado otra conversacin.

Resultado de un acoplamiento no deseado entre los medios que llevan las seales. Acoplamiento elctrico entre cables cercanos UTP. Seales no deseadas son captadas por antenas de microonda, a pesar que suelen ser muy

direccionales, todava existe energa que se dispersa durante la propagacin.

Del mismo orden de magnitud, o menor, que el ruido trmico (Stallings). Este tipo de ruido domina en las bandas ISM no licenciadas.

Industrial, Scientific and Medical


Transmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vista Ruido Impulsivo

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

Fuentes de generacin: Rayos, fallas en los sistemas de comunicacin.

Para datos de fuentes analgicas no suele ser problemtico: Escuchar un click o chasquido corto no hace de una conversacin telefnica inteligible.

Para datos digitales, es la principal fuente de errores: Un pico de energa de 0.01s de duracin no destruira una transmisin de voz pero daara 560

bits de datos transmitidos a 56kbps.


41

Transmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vista Eb/No

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

La relacin entre la potencia de una seal y la potencia del ruido presente en un punto determinado de la transmisin.

9 Una medida de la cantidad con la que la seal deseada supera al nivel de ruido. Para un nivel de dado de ruido, mientras mas grande sea la intensidad de la seal, mejor la

habilidad para recibir datos correctamente bajo la presencia de ruido.

Es fundamental en la transmisin de datos digitales porque impone un lmite superior en el ritmo de trasmisin que puede obtenerse. ( )SNR1log2 += BC


9 C = mxima capacidad del canal en bps.9 B = ancho de banda del canal en Hz.9 Desarrollada por Shannon, representa un mximo ideal a obtenerse.

Tercer teorema de Shannon y el mas famoso. En la prctica se obtiene valores menores a este mximo, debido a que se est asumiendo solo ruido

blanco.

( )g2


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

( )SNR1log2 += BC Relaciona tres parmetros fundamentales del sistema: ancho de banda del canal, potencia

promedio transmitida o recibida, y la densidad espectral de potencia del ruido.

La capacidad indicada se conoce como capacidad libre de error.9 Shannon demostr que si el ritmo de transmisin en una canal es menor que la capacidad

libre de error, entonces tericamente es posible usar un cdigo adecuado para conseguir la transmisin libre de errores por el canal.

9 El teorema no indica como obtener ese cdigo. Para un nivel de ruido dado:

9 Parecera que C podra incrementarse tan solo incrementando el nivel de la seal (SNR se


9 Parecera que C podra incrementarse tan solo incrementando el nivel de la seal (SNR se incrementa) o B. Si se incrementa el nivel de la seal, se incrementan las no linearidades en el sistema con lo que se

incrementa el ruido de intermodulacin.

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

42


Se considera ms conveniente que SNR para determinar ritmos de transmisin y tasas de error.

Relacin entre energa de la seal por bit y densidad de potencia del ruido por Hertz. Considerando una seal que contenga datos digitales transmitidos a una tasa de R bps.

La energa por bit estara dado por la potencia de la seal presente durante la duracin de un bit. (Potencia=Energa/unidad de tiempo)

9 S = es la potencia de la seal9 Tb = es la duracin de un bit, con R= 1/ Tb

bb STE =


TRS

TRS

NRS

NST

NE

oo

b

o

b

k)k(/ ====

k0 TN =


Esta relacin es importante porque las formulaciones para determinar la probabilidad de error (BER bit error rate) para informacin digital se expresan como funcin de sta.

TRS

NE

o

b

k=

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

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


Dado un Eb/No, necesario para obtener un BER deseado, se deben seleccionar los parmetros S y R. Si R se incrementa, S debe

incrementarse para conservar el Eb/No solicitado.

43


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

Si el ritmo de transmisin se duplicara, los bits estaran mas cercanos, y el mismo ruido podra destruir dos bits en lugar de uno.

Por lo tanto, para un valor constante de seal a


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

Transmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vista Absorcin atmosfrica

El vapor de agua y el oxgeno contribuyen a la atenuacin. Para el vapor de agua:

9 La atenuacin tiene sus mximos alrededor de 22 GHz.9 A f i 15 GH l i9 A frecuencias menores a 15 GHz la atenuacin es menor.

Para el oxgeno:9 La atenuacin tiene sus mximos alrededor de 60 GHz.9 A frecuencias menores a 30 GHz la contribucin es menor.


44

Transmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vista Absorcin atmosfrica

La lluvia y neblina (gotas de agua suspendidas) provocan la dispersin (scattering) de las ondas de radio frecuencia que resulta en atenuacin. En reas con precipitaciones significativas, se deben usar bandas de frecuencia mas bajas o la

longitud de los enlaces debe ser menorlongitud de los enlaces debe ser menor.


Transmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vista Atenuacin Atmosfrica en

comunicaciones satelitales Causas principales: oxgeno y

agua (lluvia y neblina).

Afectada por el ngulo de elevacin de la antena. Mientras mas pequeo,

mayor la distancia que se debe viajar por la atmsfera.

Afectada por la frecuencia.


45

Transmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vista Multipath

En los casos en los cuales se tiene libertad en la ubicacin de las antenas, se las puede colocar de tal manera que, si no existen obstculos cercanos, se tenga un camino de lnea de vista directa del transmisor al receptor. E l i t t lit l l d i d t t Es el caso para sistemas satelitales y para enlaces de microonda punto-punto.

En sistemas mviles, como telefona celular, existe gran cantidad de obstculos. La seal puede ser reflejada por tales obstculos provocando que se tengan mltiples copias de la

seal con retardos variables en recepcin.

9 En algunos casos (mviles) pueden captarse solo seales reflejadas y no una seal directa. Dependiendo de las diferencia en las longitudes de los caminos seguidos por las ondas directa y

reflejadas, la seal compuesta resultante en el receptor puede ser mas pequea o mas grande que la seal directa.


Transmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vista Multipath

Ejemplos de interferencia multipath terrestres: Microonda fija

9 A d l l d9 A mas de la lnea de vista directa se tiene una contribucin por refraccin en la atmsfera y otra por reflexin en tierra.

Comunicaciones mviles9 Estructuras y

caractersticas


caractersticas topogrficas proveen superficies de reflexin.

46

Transmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vista Zona de Fresnel

Es el rea elptica (en realidad en 3D) que rodea el camino visual. El tamao de la zona vara dependiendo de la longitud del camino y la frecuencia de la seal. Puede calcularse y debe considerarse al disear los enlaces.

Para evitar prdidas extras.



Debe distinguirse entre la lnea de vista ptica y la lnea de vista para radio. La de radio requiere estar tambin libre de obstculos para considerar el comportamiento de las

ondas.

Si l f i di i l t d l d F l i t Si la frecuencia disminuye, el tamao de la zona de Fresnel se incrementa. Si la longitud del camino se incrementa, el tamao de la zona de Fresnel se incrementa.

Mientras mas grande sea la separacin entre las antenas, mayor debe ser la altura de las antenas.


47


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


Transmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vista Zona de Fresnel H = 43.3 * Sqrt(D / 4F)

H = Height of the First Fresnel Zone (in feet) D = Distance between the antennas (in miles) F = Frequency in GHz F Frequency in GHz

La curvatura de la tierra se convierte en una preocupacin para enlaces mayores a 11 km. La lnea de vista desaparece a 25 km.

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

Para considerar la obstruccin por el abultamiento de la tierra, las antenas deben elevarse mas en


Para considerar la obstruccin por el abultamiento de la tierra, las antenas deben elevarse mas en comparacin con la situacin en la cual la tierra fuese plana.

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

9 H = Height of earth bulge (in feet)9 D = Distance between antennas (in miles)D es la distancia en millas, y la altura aadida est

en pies.

48





49

Transmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vista Un radio enlace se disea con ayuda de un diagrama con los perfiles del

terreno, el cual toma en consideracin la curvatura de la seal de radio en condiciones estndar. La escala de la altura es diferente que el de la escala horizontal, y las direcciones

perpendiculares a la superficie de la tierra son paralelas.

El punto medio del enlace (salto) se ubica en la mitad del diagrama. Luego de dibujar el terreno, se selecciona la altura de las antenas.

La primera zona de Fresnel debe estar libre.


Transmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vistaTransmisin con lnea de vista


50

Desvanecimiento en Ambientes MvilesDesvanecimiento en Ambientes MvilesDesvanecimiento en Ambientes MvilesDesvanecimiento en Ambientes Mviles

Los modelos de propagacin tradicionalmente se enfocan en predecir el nivel promedio de la seal recibida a una distancia dada del transmisor.Se denominan modelos de propagacin a gran escala (large-scale) ya que

caracterizan el nivel de la seal a grandes separaciones entre el transmisor-receptor (cientos o miles de metros).

Por otro lado, se requieren modelos de propagacin que caracterizan las rpidas fluctuaciones de los niveles de la seal


recibida entre pequeas distancias (unas pocas longitudes de onda) o periodos cortos de tiempo.Se denomina modelos de desvanecimiento de pequea escala (small-scale fading) o

simplemente desvanecimiento (fading).


Desvanecimiento de pequea escala (small-scale fading)O simplemente desvanecimiento (fading).Se refiere a las rpidas fluctuaciones de la potencia de la seal recibida, en

cortos periodos de tiempo o cortas distancias de desplazamiento, causadas por cambios en el medio de transmisin o por los diversos caminos seguidos por las seales (multipath) que causan interferencia.En un ambiente fijo, el fading es afectado por cambios en las condiciones

atmosfricas, como la lluvia.

En una ambiente mvil, adems se tiene:


9Que una de las dos antenas se est moviendo en relacin a la otra.9La ubicacin relativa de los obstculos cambia con el tiempo, creando

efectos de transmisin complejos.

51

Desvanecimiento en Ambientes MvilesDesvanecimiento en Ambientes MvilesDesvanecimiento en Ambientes MvilesDesvanecimiento en Ambientes Mviles Desvanecimiento ( fading)

Para el caso de una unidad mvil, desplazndose por una calle en un ambiente urbano, rpidas

i i ivariaciones ocurren en el nivel de la seal en distancias de alrededor de media longitud de onda.En un sistema celular a 900MHz, la longitud de onda es de 0.33m.La figura presenta la variacin espacial de la seal recibida a 900MHz en un ambiente urbano.

9 Existen cambios de amplitud tan grandes como 20 y 30 dB en distancias cortas.9 Esto afecta a telfonos celulares de personas en autos, y a personas caminando por una calle en un


medio urbano.

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

9Existen cambios en la potencia promedio recibida (alrededor de los cuales se producen las fluctuaciones rpidas).


Propagacin multipathLos mecanismos de propagacin que contribuyen son:

Reflexin: 9Suponiendo que se recibe en el dispositivo mvil una onda reflejada en la tierra, p q p j ,

esta onda sufre un desfase de 180 grados, por lo que la onda reflejada en tierra y la seal directa por lnea de vista podran cancelarse, resultando en una gran prdida de la seal.

9La onda reflejada sigue un camino mas largo, lo que crea un desplazamiento de la fase debido al retardo, respecto a la onda de lnea de vista. Cuando el retardo es equivalente a media longitud de onda, las seales estn nuevamente

en fase.


9La antena mvil est generalmente a una altura inferior que la mayora de construcciones hechas por el hombre en el rea, se produce interferencia multipath. Estas ondas reflejadas pueden interferir constructiva o destructivamente en el receptor.

52

Desvanecimiento en Ambientes MvilesDesvanecimiento en Ambientes MvilesDesvanecimiento en Ambientes MvilesDesvanecimiento en Ambientes Mviles Propagacin multipath



Propagacin multipathLos mecanismos de propagacin que contribuyen son:

Difraccin: 9Las seales pueden ser recibidas aun cuando no exista una lnea de vista desde el p

transmisor.

Dispersin (scattering):9A frecuencias de microonda celular tpicas, existen numerosos objetos, como un

semforo, que pueden causar dispersin.

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

ili l id d il d t d ld


moviliza la unidad mvil dentro de una celda.Si existe lnea de vista al transmisor, entonces los efectos de difraccin y dispersin son

generalmente efectos menores, aunque la reflexin puede tener un impacto significativo.

Si no hay lnea de vista, como en las reas urbanas a nivel de la calle, los mecanismos principales que permiten la recepcin son la difraccin y la dispersin.

53


Efectos de la propagacin multipathUn efecto no deseado de la

i lti thpropagacin multipath es que mltiples copias de la seal lleguen con diferentes fases.Si las fases hacen que las seales se

sumen destructivamente, el nivel de la seal respeto al ruido disminuye, haciendo que la deteccin de la

l l t dif il


seal en el receptor sea mas difcil.


Efectos de la propagacin multipathISI (InterSSymbol Interference)

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

el canal.9En cada caso, el primer pulso recibido corresponde a la seal con lnea de vista

deseada.La magnitud de esos pulsos puede cambiar debido a cambios en la atenuacin

atmosfrica.A medida que la unidad mvil se aleja de la antena fija, la cantidad de atenuacin de la

seal de lnea de vista se incrementa.


La figura indica que a mas de los pulsos principales, existe un conjunto de pulsos secundarios debido a reflexin, difraccin y dispersin.9Si los pulsos estuviesen codificando uno o mas bits de datos, se tendra que una o

varias de las copias con retardo podran llegar al mismo tiempo que un pulso principal de un bit subsiguiente. Estos pulsos con retardo actan como una forma de ruido para un pulso subsiguiente.

54


Efectos de la propagacin multipath.ISI (InterSSymbol Interference)

A medida que la unidad mvil se mueve, la ubicacin de los obstculos cambia; por lo que el nmero, magnitud y retardo de los pulsos secundarios cambia.

Todo esto complica el diseo de tcnicas de procesamiento de seales que filtren los mltiples efectos.



Desplazamiento Doppler (Doppler Shift)Debido al movimiento relativo entre una unidad mvil y una antena fija,

cada onda multipath experimenta un aparente desplazamiento en frecuencia.El desplazamiento es directamente proporcional a la velocidad y direccin de

movimiento del mvil con respecto a la direccin de llegada de la onda mulitpath.

9Cada onda multipath sufre un desplazamiento diferente, dando como resultado una modulacin en frecuencia aleatoria.

El mvil puede estar alejndose o acercndose de la estacin fija.Si l bj t l l d di t i i t l


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

55


Desplazamiento Doppler (Doppler Shift)Considerando un objeto movindose a una velocidad constante v, a lo largo

de un segmento de longitud d entre los puntos X y Y, mientras recibe seales de una fuente remota S .de una fuente remota S .


La diferencia en longitud de los caminos recorridos por la onda de S a los puntos X y Y es: l = d cos = v t cos9t = tiempo requerido para que el mvil se desplace de X a Y.9 = se asume que es el mismo en X y Y puesto que S est muy lejos.

Desvanecimiento en Ambientes MvilesDesvanecimiento en Ambientes MvilesDesvanecimiento en Ambientes MvilesDesvanecimiento en Ambientes Mviles Desplazamiento Doppler (Doppler Shift)

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

cos22 tvl ==

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

La ecuacin relaciona el desplazamiento con la velocidad del mvil. Si el mvil se mueve hacia la direccin de llegada de la onda, el desplazamiento Doppler es positivo

(la frecuencia aparente recibida se incrementa); caso contrario es negativa.

Las componentes multipath que llegan de diferentes direcciones contribuyen al esparcimiento

cos21 v

tfd =

=


Doppler (Doppler Spread) de la seal recibida, incrementando el ancho de banda de la seal. El Doppler Spread considera la naturaleza cambiante con el tiempo del canal debido al movimiento

del mvil u objetos en el canal y es una medida del ensanchamiento espectral.

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

56

Mecanismos para Compensacin de ErroresMecanismos para Compensacin de ErroresMecanismos para Compensacin de ErroresMecanismos para Compensacin de Errores

Los esfuerzos para compensar los errores y distorsiones introducidas por el desvanecimiento multipath caen en tres categoras:FEC (Forward error correction)Ecualizacin Adaptiva (Adaptive equalization)Tcnicas de Diversidad (Diversity techniques)

En un ambiente inalmbrico tpico, se combinan tcnicas de las tres categoras.


g


FEC (Forward Error Correction)Forward se refiere a que mediante procedimientos en el receptor se corrigen los

errores en los datos, con la particularidad de que se emplea solo informacin contenida en la seal digital recibida.g

Backward se refiere a que mediante procedimientos en el receptor se detectan los errores, y luego se solicita un pedido de retransmisin de los datos que contienen errores. No es prctica en muchas aplicaciones inalmbricas.

9En comunicaciones satelitales, el retardo involucrado hace que las retransmisiones no sean deseables.

9


9En comunicaciones mviles, las tasas de error son tan altas que existe una alta probabilidad que los bloques retransmitidos tambin tengan errores.

57


FEC (Forward Error Correction)1. Usando un algoritmo de codificacin, el transmisor aade un nmero de bits

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

bits de datos.

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


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


FEC (Forward Error Correction) Tpicamente, en aplicaciones mviles inalmbricas, la relacin entre el nmero

total de bits enviado y el nmero de bits de datos enviados est entre 2 y 3. Esto puede parecer un overhead extravagante, dado que la capacidad del sistema ha p p g , q p

sido reducido a la mitad o un tercio de su potencial, pero el ambiente inalmbrico mvil es tan complicado que ese nivel de redundancia es necesaria.


58


Ecualizacin Adaptiva Se usa en transmisiones que llevan informacin analgica o digital.Se usa para combatir la interferencia intersmbolo.Se busca una manera de reunificar la energa dispersada de los smbolos en suSe busca una manera de reunificar la energa dispersada de los smbolos en su

intervalo original de tiempo.

Es un tpico bastante grande que abarca diversa tcnicas, as:El uso de los denominados circuitos analgicos concentrados (lumped).Algoritmos sofisticados de procesamiento digital de seales.



Ecualizacin Adaptiva Ejemplo que ilustra el uso de circuito ecualizador lineal.

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

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


59


Ecualizacin Adaptiva Ejemplo que ilustra el uso de circuito ecualizador lineal.

El circuito se denomina adaptivo porque los coeficientes son ajustados dinmicamente.Los coeficientes se definen utilizando una secuencia de entrenamiento.

9La secuencia es conocida.9La secuencia es transmitida.

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

9Peridicamente, una nueva secuencia de entrenamiento es enviada para tomar en cuenta los cambios en el ambiente de transmisin.


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

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


Tcnicas de Diversidad Se basan en que los canales individuales experimentan eventos de desvanecimiento

de forma independiente.Se pueden compensar en cierto grado errores proveyendo mltiples canales lgicos y p p g p y p g y

enviando parte de la seal por cada canal.

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

9FEC y ecualizacin pueden encargarse de la tasa reducida de errores.Las tcnicas de diversidad se pueden clasificar en tres grupos:

EspacialD f i


De frecuenciaTemporales

60


Tcnicas de Diversidad Tcnicas Espaciales (space diversity)

Adems puede utilizarse diversidad de polarizacin en las antenas.



Tcnicas de Diversidad De frecuencia (frequency diversity).

El trmino diversidad se aplica comnmente a este tipo o al temporal.L lLa seal:

9Se esparce (distribuye) en un ancho de banda mas grande9Se transporta en mltiples portadoras de frecuencia.

Si la separacin en frecuencias de los dos transmisores es grande, frequency selective fading tendr baja probabilidad de afectar a ambos caminos con la misma intensidad.

El ejemplo ms importante es spread spectrum.


61


Tcnicas de Diversidad De frecuencia (frequency diversity).


Mecanismos para Compensacin de ErroresMecanismos para Compensacin de ErroresMecanismos para Compensacin de ErroresMecanismos para Compensacin de Errores Tcnicas de Diversidad

Temporal (Time diversity)Hasta poderosos cdigos de correccin de error pueden ser incapaces de manejar una

gran rfaga de errores.

9Tratar de distribuir los datos en el tiempo de tal forma que una rfaga de ruido afecte un menor nmero de bits.

Puede ser muy efectiva en regiones de slow fading.9Si una unidad mvil se mueve lentamente, puede permanecer en una regin de

alto grado de desvanecimiento por un periodo relativamente largo.

9El resultado sera una larga rfaga de errores aun cuando el nivel promedio local de la seal sea mucho mas grande que la interferencia.


El compromiso con esta tcnica es el retardo que introduce para reconstruir la seal original.

TDM (Time Division Multipex) puede usarse para proveer diversidad.9Mltiples usuarios comparten el mismo canal fsico utilizando ranuras de tiempo.9Entrelazar (interleave) bloques sirve como mecanismo de diversidad.

62


Tcnicas de Diversidad Temporal (Time diversity)




TDM puede usarse para proveer diversidad.9La figura ilustra el concepto.g p9Se debe notar que el mismo nmero de bits sigue siendo afectado por el pico de

ruido, pero estos se distribuyen en un grupo de canales lgicos.

9Si cada canal es protegido con FEC, el cdigo corrector de errores podra manejar un nmero menor de bits (corrigiendo todos los errores).


63



Sin usar TDM9Se considera el stream de bits de la fuente como una secuencia de bloques y se los q y

entremezcla (baraja).En el ejemplo se organizan grupos de 4, el mismo nmero de errores se sigue

produciendo pero los cdigos se aplican a cdigos distribuidos en el tiempo.

9Se puede combinar esta idea con TDM para obtener un mayor grado de diversidad.


Br Ever Evan Ten Aspro Pag

Documents

Transcript of Br Ever Evan Ten Aspro Pag