DISEÑO DE UN ENLACE EN MICROONDA GUAYAQUIL - CUENCA.

Tesis previa a la obtención del título de Ingeniero en la especialización de Electrónica y T£ lecomunicacion.es de la Escuela Politécnica Nacional;

PATRICIO JARAMILLO VASQUEZ QUITO Julio 3 de 1978

Certifico que el presente trabajo ha sido realizado en su totalidad por el Sr. Patricio Jar amulo Vásquez.

ING.MARIO CEVALLOS Quito, Julio 3 de 1978

A mis padres Juan y Carlota

A mi esposa Bruna

A mi hij a Ana Bruna

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- IV -

I N T R O D U C C I Ó N

El proyecto a desarrollarse con el nombre de "DISEÑO DE UN EN LACE EN MICROONDA GUAYAQUIL-CUENCA", consiste en el estudio y diseño de un sistema de comunicaciones a través de microonda con la posible aplicación a transmisión de televisión. De acuerdo al grado de experiencia y conocimiento sobre el te_ ma existirían dos puntos de vista sobre el mismo.

La persona

con experiencia expresaría el realizar el estudio en unos pocos dias; por otro lado una persona sin experiencia en la rama lo veria al proyecto como un hecho bastante complicado a resolverse en un largo tiempo. En mi caso particular, cuando escogi el tema inicialmente lo miré como un proyecto a realizarse en corto plazo con mis cp_ . nocimientos generales sobre el tema, pero conforme pasó el tiempo la situación no fue así, primero por la falta de li bros e información al respecto y luego porque el campo de es_ tudio e investigación de los sistemas de microonda y sus variadas aplicaciones es bastante amplio, existen muchos facto_ res que tratar y conocer a tal punto, que el profundizar en algunos de ellos constituirían verdaderos temas complejos de' estudio. De tal manera que el desarrollo de este tema de tesis trata de abarcar todos los puntos que deben considerarse en forma precisa

de modo que. el proyecto no quede escrito solamente

en papel, sino que sea perfectamente realizable en la prácti.

- V -

ca. El desarrollo del tema tiene dos partes: la primera da un enfoque teórico para el conocimiento de todos los factores y consideraciones que intervienen en el diseño de sistemas enlaces de microonda.

de

La segunda parte constituye el diseño

propiamente dicho con gráficos, trazos y cálculos especifi eos del sistema, El desarrollo de este tema me ha dado un conocimiento bastan te real y concreto sobre la forma de diseño de un sistema de microonda y también sobre todos los factores que influencian en la trayectoria del haz de microonda, Es posible que para cualquier estudiante que desee tener información y conocimiento preciso sobre este tema, el presente texto le sea de gran ayuda en su propósito. Quiero .dejar constancia de mi agradecimiento al Ing. Mario Cevallos, Director de esta Tesis, por su decidida ayuda. Al Dr. Kanti Hore y otros profesores y amigos que de alguna manera han ayudado la elaboración de este proyecto.

Í N D I C E

G E N E R A L

Páí

INTRODUCCIÓN CAPITULO I, GENERALIDADES 1.1

SITIOS DE REPETICIÓN

1.2

TRAYECTORIA E INFLUENCIAS EN EL

IV '

1 1

HAZ DE MICROONDA 1.2.1

2

Influencias de terreno y obstrucciones ,

2

1.2.2

Influencia de lluvia y niebla

3

1.2.3

Absorción atmosférica

5

1.3

MAPAS Y TRAZOS DE RUTA

8

1.3.1

Curvatura

1.3.2

Pefiles y trazos

1.4

INTERFERENCIAS

1.4.1

Interferencias internas del propio

.

8 9 10

sistema

11

1.4.2

Interferencias externas.

12

1.4.3

Interferencias en transmisión de voz, data y televisión.

15

1.5

PROPAGACIÓN

15

1.5.1

Forma de propagación de microonda

16

1.5.2

Atenuación .por espacio libre

16

1.5.3

Efectos e influencias del terreno

19

Pás

1.5.4

1.5.5

Zonas Fresnel

19

Influencia y Efectos Atmosféricos

21

El índice de refracción

'22

índices de refracción modificado (M)

23

El factor K.

24

Atenuación por lluvia y niebla

26

Criterio sobre libre trayectoria

27

Distorción por retraso

29

Desvanecimiento

32

Confiabilidad de propagación y consideraciones

•

33

1.6

RUIDO

34

1.6.1

Ruido Total

34

Ruido Térmico

35

Ruido de intermodulación

35

Ruido de distorción por eco

35

Ruido atmosférico y hecho por el hombre

36

1.6.2

Unidades de Ruido-

36

1.6.3

Determinación del ruido de un sistema

37

Ruido térmico en el receptor

37

Margen o 'umbral de un sistema

40

Efecto del tipo de carga en ruido

40

Ruido total, objetivos y recomendaciones

41

Pás

1.7

EQUIPOS

1.7.1

Equipo de radio

42 .

44

Transmisores de estado sólido

46

Circuitos pasivos de microonda

47

Guías de onda y líneas de transmisio'n.

47

Torres

49

Sistemas de antenas

52

Antenas parabólicas

52

Antenas forradas para alto rend;L miento

54

Antenas parabólicas de banda cruzada

54

Antenas de cuerno reflector

54

Sistemas de antenas periscópicas

55

CAPITULO II TRAZOS Y CÁLCULOS PRÁCTICOS

58

2.1

DIAGRAMA DE RUTAS Y RELIEVE

58

2.1.1

Escogimiento de sitios

58

2.2

DIAGRAMAS DE CORTES A ESCALA

64

2.2.1

Curvas representativas del factor K.

68

2.2.2

Curvas de la Primera Zona Fresnel

71

2.3

INTERPRETACIÓN DE LOS GRÁFICOS

74

2.4

CÁLCULOS DE TRAYECTO

75

Páí

2.4.1

Conflabilidad y rendimiento del sistema

2.4.2

Estudio de posibles puntos de re flexión

2.4.3

Escogimiento de frecuencias

2.4.4

Relación señal a ruido del sis tema

2.5

94

96 1.00

101

RECOMENDACIONES Y FUNCIONAMIENTO DE EQUIPOS

103

CONCLUSIONES

107

REFERENCIAS

109

BIBLIOGRAFÍA

112

C A P I T U L O

I

- 1C A P I T U LO

I

G E N E R A L I D A D E S

En el transcurso de este capítulo se expondrán generalidades teóricas y consideraciones sobre sistemas de m-icroonda, trayectoria y propagación del haz de microonda, sus influencias, su comportamiento, sus características, etc.

Las fuentes de

información no han sido numerosas, básicamente se ha obtenido la información teórica de dos libros: "Engineering Considerations for Microwave Communications Systems" publicado por Lenkurt Electric Co, Inc. y un libro publicado a raiz de Un seminario de Microonda de la Unión Internacional de Telecomunicaciones en Tokio en 1968 titulado "Microwave Seminar ITU, Tokio 1968".

También se ha sacado de apuntes y conoci-

mientos impartidos por las clases del Dr. Kanti Hore, en

la

materia de microondas. A continuación reglándonos al temario presentado iniciamos las consideraciones desde el aspecto más básico que constitu ye el correcto escogimiento de los sitios 1.1

SITIOS DE REPETICIÓN Es de absoluta importancia el escogimiento de los

si -

tios de repetición más adecuados respecto a su ubica ción y facilidades, como también respecto a la naturale_ za del terreno entre los puntos de repetición. Generalmente en terrenos planos se usa repetición entre

- 2 -

40 a 55 Km, en los rangos de 2 a 8 GHz. Para el escogimiento de los sitios se tiene que tomar en cuenta algunas consideraciones básicas, entre las cuales se pueden citar las siguientes: Facilidades de acceso al lugar, tipo de camino. Existencia de fuerza, de energía C.A, Condiciones de tiempo, velocidad del viento, rango de variación de temperatura. Altura del sitio. Descripción completa de coordenadas geográficas

y

más datos para identificación del lugar. Consideración de interferencias por cercanía a aeropuertos y otros sistemas de comunicación. Posibilidad más cercana de teléfono, 1.2 1.2.1.

TRAYECTORIA E INFLUENCIAS EN EL HAZ DE MICROONDA Influencias de terreno y obstrucciones.El haz de microonda tiende a seguir una línea recta y es afectado por cualquier obstáculo que está en el camino o cerca del camino. En su viaje a través de la atmósfera sigue una leve curva producida por difracción atmosférica. En el punto de roce con algún obstáculo se difracta parte del rayo y se producen pérdidas, las cuales pueden estar en el orden de 6 a 20 dbs., dependiendo del tipo de superficie donde ocurre la difrac ción.

- 3 -

•

.

7 ',.

Experimentalmente se ha probado que en un risco tipo cuchillo se produce una pérdida de 6 dbs y en una superficie plana o agua se produce la máxima per dida. El rayo también puede ser reflejado en superficies del terreno planas o en agua. Para todos estos análisis de influencias es muy importante el estudio de las Zonas Fresnel especia^ mente la Primera, La Primera Zona Fresnel es la que contiene cada pun to cuya suma de la distancia desde dicho punto

a

.los extremos es exactamente media longitud de onda más larga que el camino directo de onda de extremo a extremo.

La Zona Fresnel'''se define igualmente

a

excepción que la diferencia está dada por n medias longitudes de onda. 1.2.2.

Influencia de lluvia y niebla.En las frecuencias por debajo de 6 y 8 GHz la llu via y la niebla no denotan mayor influencia a exce£ clon de casos extremos.

A frecuencias más elevadas

la atenuación por lluvia resulta ser seria y depende directamente de la intensidad de la lluvia, el tamaño de las gotas, el tiempo de exposición, la distribución de la lluvia a lo largo del recorrido de la onda.

No es tan importante la cantidad de lluvia que cae sobre un período extenso, cuanto la máxima intens:L dad instantánea que cae en determinado momento, El grado de importancia del problema de atenuación por lluvia depende directamente del grado de con fiabilidad puesto como objetivo en el sistema y en el tipo de servicio en el que va a ser usado. Dos cosas hay que tener en mente respecto a atenua_ ción por lluvia: El desvanecimiento no ocurre durante los periodos de lluvia pesada de manera que todo el margen de desvanecimiento está disponible para combatir la a_ tenuación por lluvia. Una combinación de frecuencia de diferentes ban das resulta muy práctico para sistemas dé alta con fiabilidad, por ejemplo una combinación de la banda de 6 GHz con de 12 GHZ, de modo que en los mo mentos de alto nivel de lluvia, el sistema en 6 GHz realiza todo el servicio. Respecto a niebla', cuando se encuentra en estado de , vapor produce refracción del haz de tnicroonda, cuan do se encuentra en forma de gotas muy pequeñas produce mucho menor refracción. Junto con la niebla se produce aire tupido o cargado y cambio brusco de temperatura, lo cual en cir cunstáñelas extremas puede interrumpir el servicio del sistema.

Cuando la niebla se encuentra muy cerca del suelo, pro duce otro efecto que es el de reflexión. Las curvas del cuadro 1.2.!.,(!) muestran la atenúa ción respecto al promedio de lluvia y las del cuadro 1,2.2.,(2) nos enseñan atenuación respecto a intensidad de lluvia y neblina, 1.2.3

Absorción atmosférica.La absorción atmosférica se debe principalmente

al oxi

geno y al vapor de agua. Su magnitud es prácticamente despreciable a frecuen cias bajas y aún en las altas su valor es bastante pequeño.

Está directamente relacionada con la longitud » .del salto y se lo considera en saltos largos . El cuadro 1.2.3., (3) nos muestra la atenuación con res_ pecto a la absorción atmosférica, del cual se concluye que es despreciable para saltos de hasta 60 Kms.'en las frecuencias de 2 a 8 GHz y en saltos de hasta 30 Km.en frecuencia de 10 a 14 GHz. Para distancias más largas este factor debe ser tomado en cuenta. Tablc C. Exccss Attcmiation Ouc To Atmospheric Absorption PATH LENGTH MILES 20

ATTENUATION - dB 2-4-6 GHz 8 GHz l O G H z 12GHz 14 GHz 0.38 0.48 0.32 0.2G 0.20

40

0.40

0.52

0.64

0.76

0.96

60

O.GO

80

0.80

0.78 1.04

0.96 1 1.14 1.52 1.28

1.44 1.92

TOO

1.00

1.30

1.60

1.90

2.40

CUADRO 1.2.3. (1) ( 2 ) y (3) E n g i n e e r i n g C o n s i d e r a t i o n s f o r M i c r o w a v e Comrauni c a t i ó n s S y s t e m s . Lenkurt

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EXCESS PATH LOSS IN DECIBELS PER M1LE [Excess path loss in dB/km = 0.62 x (excess path loss in dB/mile)]

CLOUDBURST

VERY HEAVY RAIN

HEAVY RAIN

MODÉRATE RAIN (Fog or Cloud 100' Visibiüty)

LIGHT RAIN (Fog or Cloud 400'Visibiüty)

DRIZZLE

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1.3

MAPAS Y TRAZOS DE RUTA

En nuestro país existen publicaciones de mapas de re lieves y contornos de la mayor parte del sector montañoso o Sierra,

además existen fotografías aéreas

de

muchos sectores y en general cartas geográficas, topográficas con suficiente información para nuestro uso. Lo cual constituye una gran ventaja, ya que los mapas son las principales fuentes de información y trabaj o para estudio del recorrido o trayectoria de microonda. Una vez que han sido escogidos los sitios de repeti ción, entonces con ayuda de los mapas se trazarán las trayectorias correspondientes, para luego preparar una carta de contornos y perfiles del trayecto. Para el trazo de esta carta hay que tener

en cuenta

algunas consideraciones: 1,3.1

Curvatura,La curva relativa de la tierra y el haz de microonda es importante para el trazo de ruta, mientras la superficie de la tierra es curva la trayectoria de mi- . croonda tiende a la linea recta con una ligera incluí nación hacia abajo debido a refracción atmosférica. El grado y dirección de inclinación está definido por el llamado factor K. El factor K multiplicado por el radio real de la tie_ rra nos da el radio de la curva ficticia de la tierra y esta curva es equivalente a la curvatura

relativa

_ 9 del haz de microonda con respecto a la curvatura de la tierra. Gráficamente esta curva se puede representar, de dos ma ñeras: la primera seria la curvatura

de la tierra con

radio KR y el haz de microonda una línea recta y la se gunda seria el perfil de la tierra plano con el haz de microonda con una curvatura KR; este segundo método es preferible porque permite la ilustración fácilmente con varios valores de K, elimina la necesidad de curva tura especial y facilita la tarea de representación. 1.3.2

Perfiles y Trazos.Un perfil representado con curvatura terrestre normal y con un haz de microonda en línea recta entre los pun tos significa que el radio equivalente K es infinito lo cual es una condición extrema en el comportamiento de microonda, En todos los casos es importante hacer el estudio

con

K = 4/3.

ser

La curva para varios valores de K puede

calculada de la siguiente fórmula: (4) h^

h

dl.d2 12.75 K = cambio en altitud respecto a una línea de referen cía horizontal,

h en metros,

di - Distancia del punto a un extremo (Km), d2 = Distancia del punto a otro extremo (Km). K

= Factor de radio equivalente de la tierra.

(U) Engineering Considerations for Mi crowave Commúnica ti on Systems. Lenkurt.

- 10 -

Para condiciones especiales de K, la fórmula quedaría:

h (K -OQ ) - O h (K - 4/3) - di . d2

17

h (K - 2/3) = di . d2 8,5 h (K = 1)

= di . d2 12.75

Las fórmulas anteriores nos servirán para elaborar una tabla de valores para las curvas relativas de KR. En lugares donde existen grandes diferencias respecto a las elevaciones podría ser más conveniente realizar los trazos con respecto a la tierra considerada con ra dio KR y usar una línea recta como trayectoria de mi croonda.. 1.4

INTERFERENCIAS Las consideraciones y estudios para evitar interferencias son de gran importancia dentro de la planifica ción de sistemas de microonda. Las interferencias en general pueden ser producidas por el propio sistema o interferencias de sistemas externos , y pueden ser eliminadas o aminoradas en correc_ to escogimiento de sitios, rutas, adecuado uso de ante ñas y frecuencias, Las interferencias se introducen a través de antenas, guías de onda cableo por radiación o por productos espúreos producidos en el propio equipo. La interferencia de cableo y equipo puede ser evitada

-íleon una correcta instalación, buenas coriecciones a tierra, blindaje, etc. En las gulas se evita generalmente con correcto acoplamiento entre guías y filtros suficientemente ajustados entre sí, Es bastante complejo el análisis de interferencias, de la naturaleza de sus señales, en unos casos puede ser interferencia directa en el receptor en otros casos mezclas

o

productos de señales, puede ser una misma señal disfraza-

da, etc. 1.4.1.

Interferencias Internas del propio sistema.Se refiere a interferencias que se puedan producir por la captación de la misma frecuencia en diferentes puntos del propio sistema.

Se pueden presentar las siguientes for -

mas: Interferencias de tipo adyacente, lateral como se ilustra en la figura 1.4,1,(5) en donde las frecuencias Fl y F2 producen interferencias desde las antenas de transmisión a las de recepción en las mismas frecuencias, las lineas continuas son de trayecto normal y las cortadas indican las interferencias laterales.

- F-

Spur or junclion

interference

......-'' l: j

2 /

\

FIGURA 1,4,1 (5) En gane e ring Considerations for Microwave Communications Systems. Lenkurt.

- 12 -

Interferencias por sobre alcance en la trayectoria como ilustra la figura 1.4.2 (6) en donde, la frecuencia Fl des_ de el punto A, es captada en el punto'D, cuando condicio nes de desvanecimiento existe entre los puntos C y D.

Ge-

neralmente se trata de evitar mediante discriminación de antena.

Plot of Paths A to D Recomrnendations A-DC-D

Distance Discrim. = 20

i j :

Antenna Discrim.

.dB

Antenna Discrim.

_dB

Total*

_dB

*Tota! 50 dB or betíer -For opposite direction 20 Log

F16,

1.4.2

.dB

A-B

1.4.2

Interferencias Externas Las interferencias externas están directamente relacionadas con la repartición y asignación de frecuencias y canales que la realizan entidades especializadas en cada país. El tipo de polarización y discriminación de las an tenas tiene mucho que ver en la capacidad de anula ción de interferencias externas, de tal modo

que

(6) Engineering ConsLderations for Microwave Communications Systems. Lenkurt.

- 13 -

antenas con polarización doble son menos eficien tes en cuanto a interferencias que antenas con polarización simple: El criterio para interferencias se expresa en cua^ quiera de las siguientes formas. 1)

que el valor absoluto de la potencia de la señal de interferencia no sea excesiva o que no exceda en un porcentaje de tiempo determinado.

2)

Como el valor de la relación S/I, de potencias de las señales deseada (S) y no deseada (1).

Por ejemplo valores de -125 dbm o -100 dbm para el primer criterio y tipicos valores como 60 a 95 db para el segundo criterio.

Las figuras 1.4.3 (7)

y 1,4,4 (8) muestran el método para calcular relaciones de S/I para interferencias externas.

(7) y (8),

Engineering Considerations for Microwave Communications Systems.

Lenkurt.

- 14 -

>)(-•

Computation for Unfiltero.d Radar

F

Requirements

E.R.P.P. of 2nd or 3rd Harmonio Caín Of Receiving Antenna

+60 G

Harmonio Energy in Band — Message Televisión Fundamentat-Ten Miles + 30 dB Antenna Discrimination

60+G Path Loss Rad. 96.6 + 20 Log F -f-20 Log D P Antenna Discriminator at°-< Degrees D Filter & Waveguide Losses L Radar Harmonio Input (60+G-P-D-L) R Computed Microwave Signa! Input. S Signal-to-lnterfercnce Ratio (S-R) S/l dB

Figure 10.

30 dB 45 dB

NOTE For on-site microwave termináis at radar locations, or locations less than ten miles from a high powered azimuth operated radar, obstruction blocking is desirable.

Tlie Radar Interfcrcnce Case

FIGURA

1.4.3

PARALLELING ROUTE

Preferably - 90

Regular Paths Interíercnce Paths (Not all are shown) S/l Ratio * 20 Log j.ritcrfLnence Path + Sum of Antenna Discriminations Heyular Plan S/l Ratio Recommendalion 66 dB for Co-channcl

"' -

NOTE Cross polai i/ation advantage at anglus cióse to 90 ts zero and may be negative in sorne combinations.

Figuro 11.

Intcrfcrcncc Coordination of Parallcling Systems

figura

1.4.4

- 15 -

1.4.3

Interferencias en transmisión de voz, data y televisión. En canales de voz generalmente la interferencia se produce en forma de una inteligible señal de con versación cruzada. Los sistemas de data son los más sensibles a toda clase de interferencias que producen errores información.

de

En televisión se detectan interfe -

rencias en los monitores de televisión y se reconoce fácilmente el tipo de interferencia, de ra dar, pulsos, tono, En las figuras 1,4,3. y 1,4,4, se explica en

la

forma de calcular niveles de interferencia de un sistema.

Para evitar interferencias de radar, se

debe filtrar en el mismo sus harmónicas y restos de transmisión y jugar también con discriminación de antenas del sistema de microónda para bloquear interferencias,

1.5

P R O P A G A C I Ó N En este capitulo se trataría de cubrir todos

los

factores que intervienen e influencian en la propagación del haz de microónda. Básicamente las variaciones de señal son debidas a desvanecimiento por condiciones atmosféricas, reflexiones, refracciones, etc.

- 16 -

1.5.1

Forma de propagación de microonda La forma de propagación de microonda por su misma naturaleza de frecuencia, principalmente se propa ga por onda directa con formas de reflexión o refracción y generalmente se expresa como que la forma de propagación es de linea de vista,

por

lo cual se suele imaginar que el haz de microonda es una sola linea recta, ello no es nada real, pues está sometido a una serie de influencias durante el tramo de propagación.

1.5.2

Atenuación por espacio libre La atenuación por espacio libre depende directa mente de dos factores:

frecuencia, a más alta fre_

cuencia más atenuación y distancia, a mayor distan cía mayor atenuación, Las pérdidas en radio se deben principalmente al esparcimiento de la energía de las ondas durante su viaje. La pérdida por espacio libre se define generalmente a radiadores isotrópicos que irradian igualmente en. todas las direcciones, De modo que la fórmula para cálculo de atenuación por espacio libre se deducirla de la siguiente ma ñera;

- 17 -

'Priso

Pci

-

=

Pc^iso

30 Pt ~ r2 120 TT

'^

^riso ~

P°tenc:)'-'a de recepción respecto a un radiador isotr bre los 8GHz y aumenta progresivamente con el aumento de la frecuencia. Este fenómeno de atenuación por lluvia depende directa mente de la frecuencia, banda, forma de gotas, distribución e intensidad de lluvia.

- 27 -

La niebla también influye en atenuación del haz de microonda, de igual forma especialmente en altas frecuencias y dependiendo naturalmente de la concentración de neblina. En el numeral 1,2.2 se presentan cuadros y expliación más amplia,

1.5,5

Criterio sobre libre trayectoria El criterio sobre libre trayectoria es muy impor tante y para lo cual el correcto escogimiento del factor K toma un papel importante.

De este crite

rio depende tanto el costo como el rendimiento del sistema, En general existirian criterios para dos tipos de sistemas; Sistemas de alto rendimiento por lo menos 0.3 Fl cuando K= 2/3 y 1.0 Fl cuando K = 4/3 y en áreas de difícil propagación

se asegura por lo menos

roce cuando K = 1/2, Esta evaluación es a lo largo de toda la trayectoria y no solamente al centro, Sistemas de menor rendimiento por lo menos 0.6 Fl + 10 pies cuando K=l. A los puntos extremos de la trayectoria las zonas Fresnel y el abultamiento de la tierra, resultan insignificativas f pero de cualquier forma es necesario guardar 15 o 20 spies sobre los obstáculos

28 *

En trayectoria sin reflexión es necesario guardar el criterio de tal manera que exista libre propagación bajo con diciones normales y el mínimo criterio permisible bajo condiciones subnormales.

En trayectorias con reflexiones

se tomaria además condiciones supernormales, K= Las figuras 1.5,4 (15) y 1.5.5 (16) nos facilitan el cálculo de puntos de reflexión en una trayectoria con dife rentes valores de K, Cuando K = 2/3 -hl di

di 8.5

h2 d2

d2 8,5

hl

- altura de antena la más baja

h2

= altura de antena la más alta,

di

= Distancia de hl al punto de reflexión,

d2

= Distancia de

h2 al punto de reflexión

Luego de determinar los valores di y d2 en la figura 1.5.4 se reemplazan en la ecuación anterior, si los dos miembros no son iguales quiere decir que el punto-de reflexión no está correcto; de modo que habrá que aumentar una pequeña parte a di y la misma parte disminuir a d2 hasta que

los

dos miembros sean iguales o muy parecidos, Cuando K = 4/3

hl

di

h2

d2

di

17

d2

17

Se procede de igual manera que la indicada en el caso anterior, con el uso de la figura 1.5.5.

- 29 -

La parte sombreada de las figuras, indican áreas en donde no existe punto de reflexión, Los parámetros X y Y de las figuras pueden ser usados para encontrar el valor de K dentro del cual no existe reflexión , mediante la fórmula; K_

1 1. 5 (XH-Y+2

(y para encontrar N) N_ XY)

1 1+

En casos en los cuales los valores de X y Y de las figuras no son suficientes habría que extrapolar los valores, pues las variaciones de N son lineales. Distorsión por retraso.Distorsión por retraso, producida por el trayecto de mi croonda se debe a energia reflejada que se recibe en la antena del punto de recepción y que está retrasada un de terminado número de longitudes de onda respecto a la señal principal; es causa de ruido y distorción en el mensaje real de televisión, data, etc.

Se puede medir con

un barredor de retraso y el porcentaje tolerable de distorción depende de la frecuencia tope de la banda base. Las situaciones posibles de evitarse para tener menos interferencia de este tipo son: entre dos cimas de montañas con terreno plano intermedio; entre altos edifi cios, si la dirección del haz coincide con la calle;todo trayecto que resulta libre sobre terreno plano luego de F60 debe ser tomado en cuenta como posible interfe rencia de este tipo,

- 30 -

's in (eet. d's in miles COMPUTE X

/D2£Y-

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":\d 7f fiom chai t tur Point

if nucussary. ¡ ! -- TJ D £ d 2 = D -d! ::-| :..:. ¡.:.:,:.;:;;,::::;;:,

:!:

0.2

0.4

Fi»ure 7A.

0.6

0.8

X

(

1.2

1.0

1.4

1.6

Point of lictlcciion On Ovcr-Waler Microwave Fath

FIGURA

1.5.4 19

1.8

2.0

- 31 -

< Ii

— GRAZING UNE

0.2

0.4

Figure 7B.

O.G

h's in feet, d's ¡n mués -IT h2 / COMPUTE X== / D 2 & Y = /D 2 Read r¡ from chart for Point X, Y interpolating ¡f neccssnry. ; : ; : '; ': \ - \ • \ • calcúlate d 1 = i? D & d2 = D -d1

0.8

1.0

1.2

1.6

Point of Rcflection On Ovcr-Watcr Microwave Path

FIGURA 1.5.5 20

1.8

2.0

32 *

Desacoplamiento en gulas de onda, también son la causa de distorción por retraso, de modo que es recomendable usar la menor longitud en guias y asi mismo evitar secciones de guia flexible, Desvanecimiento.En vista de que el haz de microonda abarca un considera ble área alrededor de un eje imaginario central, bajo con alciones normales atmosféricas, el índice de refracción es bajo en la parte superior y alto en la inferior, y siendo la velocidad inversa al Índice de refracción, la parte superior del haz viajarla un poco más rápido que la inferior de modo que producirla un doblamiento del haz

y

con ello variaciones y desvanecimiento, Las condiciones cambiantes de temperatura, humedad, vientos son causa de desvanecimiento al tener condiciones sub normales o supranormales, Cuando ciertas condiciones se juntan u ocurren en el trayecto se pueden dar varias señales al mismo tiempo entre transmisión y recepción, en tal caso la señal recibida es la suma vectorial de todos los componentes; en estos casos muchas veces estos varios componentes se anulan entre si produciendo desvanecimiento. Campos de sembríos de alfalfa o pasto, pueden producir gran desvanecimiento especialmente en la mañana con el roclo. Desvanecimiento es un capitulo muy amplio de estudio y

- 33 -

más prácticamente se toman y se usan datos basados en estadlsitcas y experiencias. Desvanecimiento originado por señales de trayectoria múltiple se lo trata de evadir según datos experimentales, diseñando el sistema para las peores condiciones en este tipo de desvanecimiento, por ejemplo al considerar este caso en distribución de desvanecimiento, si se usa

una

pendiente de 10 db por década de porcentaje de tiempo, significaría que el sistema se desvanece 20 db el 17o del tiempo, 30 db el 0.1% del tiempo y 40 db el 0.01% del tiempo. Este tipo de desvanecimiento varía en. función del largo del trayecto, de la frecuencia y también respecto al clima y condiciones del terreno; por ejemplo en áreas secas casi no existe, en áreas húmedas de la costa en cambio el desvanecimiento es alto; en terrenos planos es mayor

que

en terrenos montañosos, Conflabilidad de propagación y consideraciones.La conflabilidad de un sistema se lo expresa en porcentaje de funcionamiento anual, respecto al tiempo de no funciona miento y la confiabilidad de un sistema está relacionado directamente al tipo de servicio para el cual va a ser usa do de modo que para muchos servicios una confiabilidad

de

99,997o serán suficientes; más para sistemas o servicios de data, información se necesita mucho más alta confiabilidad y rendimiento.

r 34 -

El siguiente cuadro 1.5.6 (17) ensena las relaciones de rendimiento y no funcionamiento del sistema.

Table í).

Relaíionship Betwecn Sysieni Reliabiliiy And Outage Time OUTAGE TIME PER

RELIABILITY %

OUTAGE TIME %

o

100

8760 hours

720 hours

24 hours

50

50

4380hours

360 hours

12 hours

80

20

1752 hours

144 hours

4.8 hours

90

10

876 hours

72 hours

2.4 hours

95

5

438 hours

36 hours

1.2 hours

98

2

175 hours

14 hours

29 minutes

99

1

88 hours

7 hours

14.4 minutes

99.9

0.1

8.8 hours

43 minutes

1.44 minutes

53 minutes

4.3 minutes

8.6 seconds

,

-

99.99

0.01

YEAR

MONTH (Avg.)

DAY

(Avg.)

99.999

0.001

5.3 minutes

26 seconds

0.86 seconds

99.9999

0.0001

32 seconds

2.C seconds

0.086 seconds

1.6

RUIDO El factor ruido es uno de los parámetros más significat^ vos dentro de los diseños de sistemas e ingenieria de co_ municaciones.

Se distinguen las siguientes clases de

ruido. 1.6.1

Ruido Total,El ruido total dentro de un sistema de comunicaciones e_s tá compuesto por varios tipos de ruido: térmico, de in termodulación, de distorción por eco, interferencia de e_ quipos ,

- 35 -

Ruido Térmico.Es causado por.variaciones de corriente en diferentes par tes del equipo electrónico y está presente con o sin modu lación de señal.

Parte del ruido térmico es intrínsico y

se genera en el transmisor y en las últimas etapas del re ceptor.

La parte más significativa del ruido térmico

es

la producida por el ruido térmico de la antena y el produ cido en los circuitos terminales del receptor. En frecuencia modulada el ruido varia inversamente con la señal de entrada de radio frecuencia, de tal manera

que

con el aumento de Idb de radio frecuencia dismimuye

el

rudio en Idb, Ruido de Intermodulación.Se produce cuando señales de modulación compleja pasan a través de alguna no linealidad en fase o amplitud, en la transmisión se presenta solamente cuando se está modulando y se incrementa con el nivel de modulación. Ruido de distorsión por eco.Se produce por ruido de intermodulación creado por señales de retraso presentes en la parte de frecuencia modulada. Su magnitud depende de; la magnitud relativa de la señal principal, el monto de carga presente, el ancho de la banda base y la posición relativa del canal en la banda base. Mientras más alta es la frecuencia del canal, es mayor la amplitud del eco y mayor el retraso.

De tal manera

que

en sistemas grandes con largas longitudes de guias y cableo, hay que mantener un estricto control de acoplamien-

- 36 -

to para evitar gran parte de este tipo de distorsión. También se puede producir este tipo de distorsión por efecto de reflexiones pero en todo caso son bastante no usuales, Ruido atmosférico y hecho por el hombre.El ruido atmosférico y el producido por el hombre es muy poco y prácticamente despreciable a las frecuencias . de microonda.

Ruidos de interferencia producidos por

otros sistemas de microonda o radar, deben ser tomados muy en cuenta en el diseño de sistemas, escogimiento de frecuencias, escogimiento de sitios, etc. 1.6.2

Unidades de Ruido,Las unidades o parámetros de ruido más comunmente-usa dos están dados por potencia de ruido en un canal de voz y se lo define o especifica de diferentes maneras: dBrnc - db sobre ruido de referencia equivalente a un 1000 Hz a -90 dBm. dBa - db sobre ruido de referencia equivalente a un tono de 1000 Hz a -85 dBm, pWp = Picowattios de- potencia de ruido. 1 pWp equivalente a un tono de 800 Hz a-90dBm. dBmp = Potencia de ruido en dB, con respecto a un nivel de potencia equivalente a un tono de 800 Hz a

O dBm, S/N =

Relación de señal o ruido, referente o no a un valor relacionado.

- 37 -

Las unidades anteriores para que tengan un significado de_

,

ben estar relacionadas respecto a un valor de esta manera se les relaciona respecto a O, de tal forma que tanto los valores absolutos como los relativos son iguales.

Estos

valores relacionados, se representan como siguen: dBrncO, dBa O, pWpO, dBmOp. Las dos primeras unidades se usan en los Estados Unidos y las otras son internacionales recomendados por la CC1R. La siguiente relación nos da la equivalencia entre las di. ferentes unidades:

dBrncO = 10 log. 10 pWpOHD.8 = dBaOf-6.8 - dBmOp+90.8-88.3-S/N La tabla 1.6,1(18) nos da diferentes equivalencias y valo res .entre las unidades , 1.6.3

Determinación del ruido de un sistema.Ruido térmico en el receptor.En este factor de ruido, lo primero a determinarse es el ruido térmico de la antena, el cual en sistemas de microon da terrestres y con una temperatura de alrededor de 290° Kelvin, ha sido medido en -174 dBm por ciclo de ancho de banda o -114 dBm por megaciclo de ancho de banda. El ruido total en el receptor será, el ruido de antena más el ruido del propio receptor F, dado en la tabla 1.6.2(19). N = -114 + 10 log 10 BMHz + F.

(18) y (19) Engineering Considerations for~Microwave Communications Systems. Lenkurt,

- 38 -

Table E. dBrncO 0 1

2

3 4 5 6 7 8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33

Noise Unit Comparison Qiart. dBaü

-6 -5 -4 -3 —2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 '20

21 22 23 24 25 26 27

pWpO 1.0

1.3 1.6 2.0 2.5 3.2 4.0 5.0 6.3 7.9

10.0 12.6 15.8 20.0 25.2 - 31.6 39.8 50.1 63.1 79.4 100 126 158 200 252 316 398 501 631 794 1000

1259 1585

1995

dBmOp -90 -89 -88

-87 -86 -85 -84 -83 -82 -81 -80 -79 -78 -77 -76 -75 -74 -73 -72 -71

-70 -69 -68 -67 -66 -65 -64

-63 -62 -61 -60 -59 -58 -57

S/NdB

88 87 86 85 84 83 82 81 80, 79 78 77 76 75 74 73 72 71 70 69 68 67 66 .65 64 63 62 61 60 59 58 57 56 55

dBrncO

dBaO

pWpO

2520 3162 3981 5012 6310 7943 10,000 12,500 15,850 19,950 25,200 31,620 39,810 50,120 63,100

34

28

' 35

29

36 37 38 39 40 41 42 43 44 45

30

46

40

47

41 42 43

48

49 50 51 -52 53 54 55 56 57 58 59

31

32 33 34 35 36 37 38 39

54

55 56 57 58 59

3,162,000

60

3,981,000

48 49

50

51 52 53

-49

-48 -47 -46 -45 -44

-43 -42 -41

61 62 63 64 65 66

47

-53 -52 -51 -50

-40 -39

60

46

-56 -55 -54

79,430

100,000 125,900 153,500 199,500 252,000 316,200 398,100 501,200 631,000 794,300 1,000,000 1,259,000 1,585,000 1,995,000 2,520,000

44 45

dBmOp

-38

-37 -36 -35 -34 -33 -32 -31 -30 -29 " -28 -27 -26 -25 -24

S/NdB

54 53 52 51 50 49 48 47 46 45 44 43 42 41 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22

Table E shows the relationship between five commonly used units for expressing noise in a voice band channel. In the first four coiumns, the units represent weighted noise at a point of ¿ero relativo level. In ihe fiflh column the "S" represents a tone at zero relativa

level, and the "N" represents unweighted noise in a 3 kHz voice channel, therefore, S/N is the dB ratio of test tone to noise. » The table is based on the following commonly used correlation formulas, which include

some slight round o f f s for convenience. Correlations for Columns 2, 3 and 4 are valid for at! types of noise. All othor correlations are valid for white noise, but not necessai ily for

other typcs. dBrncO - 10 logio pWpO = dBaO + 6 - dBmOp + 9 0 - 8 8 - S/N

TABLA

1.6.1

69

- 39 Los valores de la tabla 1,6,2 sirven para el cálculo, siempre que la temperatura sea de 290°K de otra manera ha bria que hacer el cálculo de N con una corrección de F. F corregida = 10 loglO

( Ta.+ Te ) ( 290° )

Ta = Ruido térmico de antena en °K Te = Ruido térmico del equipo en °K Este factor N es una clase de umbral llamado umbral de de tección o umbral de ruido absoluto, el mismo que no repre senta un nivel de señal para uso en sistemas de FM; pues en FM el umbral ocurre cuando el nivel de señal es 10 dB más alto que el nivel de ruido y desde este nivel por cada Idb de aumento de señal -el ruido disminuye en IdB. umbral de nivel de aumento en FM se calcula con la si guiente relación; TFM - -104+10 log 10 BMHz + F,

Tablc F. Standard CCIR 20 loglQ Af/f c h Faclors For Top Slot SYSTEM CHANNELS

WITH EMPHASIS

TOP SLOT

WITHOUT EMPHASIS

120

534 kHz

-5.52 dB

-1.82 dB (120 channel emphasis)

300

1248 kHz

-12.9 dB

-9.2 dB (300 channel emphasis)

420*

1722 kHz

-15.7 dB

-12.0 dB (420 channel emphasis)

600

2438 kHz

-18.7 dB

-15.0 dB (600 channel emphasis)

9GO

3886 kHz

-22.8 dB

-19.1 dB (960 channel emphasis)

5340 kHz

- 28.5 dB

1200

•

-24.8 dB (1200 channel emphasis)

NOTE: 200 kHz rms por channel deviation for all except 1200 channel system, which is 140 kHz rms per channel deviation. *Not a CCIR Standard, but widcly u sed in U.S. A. industrial systems.

TABLA

1,6.2

El

- 40 -

En aplicaciones de video por tratarse de un tipo de siste ma de banda ancha, el ruido térmico se lo expresa en términos de relación señal a ruido y se define como la relación de la señal de pico a pico con respecto al valor rms de ruido térmico en la banda base de video. Esta relación de señal a ruido en video depende del nivel de entrada al receptor, el ancho de la banda de video, la desviación de pico, las características de de-énfasis. El umbral práctico o minimo nivel de radiofrecuencia ace¡D table no puede ser menor que el umbral de FM y más

bien

se puede considerar más alto de acuerdo a los sistemas. Margen o umbral de un sistema .Es la diferencia existente entre el nivel de umbral práctico y el nivel de señal normal del sistema.

La mayoria

de los sistemas de microonda son diseñados con un margen de 35 a 40 dB o más.

Efecto del tipo de carga en ruido .El ruido de intermodulación intrinsica depende directamen te del equipo y viene generalmente especificado por

el

fabricante, pero también está en función directa del sis_ tema de carga usado y de la capacidad de carga del siste_. ma.

De. tal manera que es muy importante en el diseño de

ingeniería determinar la capacidad de carga del sistema. Existen recomendaciones específicas para diferentes- tipos de sistemas por parte de la CCIR referente a sistemas de voz, sistemas militares, video, etc.,

- 41 Ruido Total, Objetivos y Recomendaciones.El ruido de intermodulación, el intrínsico y de carga se dan a conocer generalmente por el manufacturero, este ruido, más el ruido térmico pueden ser sumados y repre sentados en una tabla de ruido, En vista de la gran variedad de tipos de sistemas y usos no es posible establecer reglas generales o universales que serían lo óptimo para todo sistema.

Existe una reía

ción íntima entre capacidad, costo y funcionamiento de un sistema, de modo que cada sistema en cuanto a diseño de ingeniería tendría su propio criterio respecto a nive_ les de ruido. En vista de que el factor ruido está directamente reía cionado con la distancia y número de saltos, pues la potencia de ruido total es más o menos la suma de las po tencias de ruido de cada salto.

La CCIR/CCITT ha dicta-

do recomendaciones internacionales respecto a niveles de ruido y distancias como son las siguientes: Se establece un circuito hipotético de 2500 Km. de largo en el cual, para un canal vocal la potencia de ruido en cualquier hora sería de 10.000 pWpO del cual 2.500 estaría en el equipo múltiple y 7.500 en las líneas de trans_ misión. Para sistemas de 50 Km. a 840 Km. 3 pWpO por kilómetro, más 200 pWpO, Para sistemas de 840 a 1670 km. 3 pWpO por kilómetro,más 400 pWpO.

- 42 -

Para sistemas de 1670 Km. a 2500 Km. 3 pWpO por kilómetro más 600 pWpO, Estas recomendaciones incluyen solamente lo referente a los sistemas de transmisión y no ruido multiplex. Para circuitos menores de 50 Km.

no hay una fórmula es-

pecial y deben ser tratados como casos especiales. También se especifica el ruido admisible por pequeños por centajes de tiempo, es decir el máximo valor de ruido admisible, bajo el cual el sistema se considera no usable; por ejemplo la CC1R para un circuito hipotético de 2500 Km, en un minuto en término medio, la potencia de ruido no debe exceder de 47.500 pWpO por más de 0,1% del tiempo en cualquier mes.