IPET Nº 49 Telecomunicaciones I Unidad 2

MODULACIÓN

Introducción

Las señales de información pocas veces encuentran una forma adecuada para la transmisión, por lo que las señales deben ser transportadas entre el transmisor y el receptor, sobre alguna forma o medio de transmisión. La modulación se define como el proceso de transformar información de su forma original a una forma más adecuada para la transmisión. La Demodulación es el proceso inverso (es decir, la onda modulada se convierte nuevamente a su forma original). La modulación se realiza en el transmisor en un circuito llamado modulador, y la demodulación se realiza en el receptor en un circuito llamado demodulador o detector. Supongamos que disponemos de cierta información, analógica o digital, que deseamos enviar por un canal de transmisión. Este último designa al soporte, físico, que se utilizará para transportar la información desde la fuente hacia el destinatario. La figura 1 resume el enunciado del problema que se acaba de plantear.

Mensaje Mensaje Emitido Recibido

fig: 1 Perturbaciones

La información procedente de la fuente puede ser analógica o digital. Por ejemplo, puede tratarse de una señal de audio analógica, de una señal de vídeo, también analógica, o de estas mismas señales digitalizadas. En este caso, son secuencias de caracteres discretos, extraídos de un alfabeto finito de n caracteres, por tanto, puede tratarse de una sucesión de ceros y unos, por ejemplo.

DEFINICIÓN DE LOS TÉRMINOS

Banda base

Banda base es la banda ocupada por el mensaje (sin modular) y se encuentra comprendida entre la frecuencia 0, o un valor muy cercano a éste, y una frecuencia máxima fmax.

Ancho de banda de la señal

El ancho de banda de la señal en banda base es la extensión de las frecuencias sobre las que la señal tiene una potencia superior a cierto límite. Generalmente, este límite fmax se fija a -3 dB, que corresponde a la mitad de la potencia máxima. El ancho de banda se expresa en Hz, kHz o MHz.

Espectro de una señal

Se habla de espectro de una señal para designar la distribución en frecuencia de su potencia. Se habla también de densidad espectral de potencia, DSP, que es el cuadrado del módulo de la transformada de Fourier de esta señal.

Banda de paso del canal

El canal de transmisión puede ser, por ejemplo, una línea bifilar trenzada, un cable coaxial, una guía de ondas, una fibra óptica o, simplemente, el aire. Es evidente que ninguno de estos soportes está caracterizado con la misma banda de paso. La banda de paso del canal no debe confundirse con la distribución espectral de la señal en banda base.

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FuenteCanal de Transmisión

Destino

FINALIDAD DE LA MODULACIÓN

El objetivo de la modulación es el de adaptar la señal que se va a transmitir al canal de comunicaciones que hay entre la fuente y el destinatario. Se introducen, por tanto, dos operaciones suplementarias a la de la figura anterior; entre la fuente y el canal, una primera operación llamada modulación, y entre el canal y el destinatario, una segunda denominada demodulación. La cadena de transmisión global queda entonces como se representa en la figura siguiente.

m(t) s(t) x(t) y(t)

Perturbaciones

El objetivo de la transmisión es el de hacer llegar el mensaje emitido m(t) al destinatario.

En el caso ideal, se tiene: y(t) = m(t).

En la práctica, esto no es así, y tenemos que y(t) es distinto de m(t).

La diferencia reside principalmente en la presencia de ruido debido a las perturbaciones que afectan al canal de transmisión y en las imperfecciones de los procesos de modulación y demodulación.

La señal m(t) es la señal en banda base que se va a transmitir. Puede ser representada tanto en forma temporal como en forma de espectro de frecuencias. Estas dos formas se han dibujado juntas debajo.

Representación temporal Representación en frecuencia

La modulación recurre a una nueva señal auxiliar de frecuencia fo. Esta frecuencia fo recibe el nombre de frecuencia portadora o frecuencia central. Evidentemente, la frecuencia fo se elige de forma que se encuentre en la banda de paso del canal de transmisión B.

La señal que será transmitida, s(t), es la señal llamada portadora a la frecuencia fo , modulada por el mensaje m(t).

La señal s(t) ocupa una banda B en tomo a la frecuencia fo, como se ve en la figura. Este

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Fuente Modulador Canal de Transmisión Demodulador Destino

ancho B es un parámetro importante y está en función del tipo de modulación. En muchos casos, lo que se persigue es reducir B para albergar en la banda de frecuencias B1 el máximo de información. Por ello, se realiza una multiplexación de frecuencias de forma que se puedan transmitir simultáneamente sobre el mismo medio el mayor número de mensajes.

La representación espectral de las señales transportadas en el canal de transmisión quedaría entonces como se muestra en la figura siguiente.

A(dB)

fo f1 f2 f3 f4 fn f

B1: banda de paso del canal

En el sentido general del término, la modulación es una operación que consiste en transmitir una señal moduladora por medio de una señal llamada portadora v(t).

v(t ) = A cos(ω t + φ)

La modulación consiste en efectuar un cambio o variación en alguno de los parámetros de v(t). La actuación sobre A se traduce en una modulación de amplitud; si se actúa sobre ω se modula la frecuencia, mientras que si se actúa sobre φ la modulación es de fase. Estos tres tipos de modulación se pueden aplicar tanto si la señal moduladora m(t) es analógica como si es digital.

Métodos de Modulación

En una visión general, las modulaciones pueden clasificarse por el tipo de portadora y de información que esta transporta, de esta manera tenemos

Información AnalógicaPortadora Analógica Información Digital

ModulacionesInformación Analógica

Portadora Digital Información Digital

Para las comunicaciones solamente se utilizan las portadoras analógicas, ya que portadoras senoidales carecen de armónicas, por lo que producen menos productos de modulación.

Las modulaciones con portadoras Digitales e información analógica, se utilizan en el procesamiento de señales, por ejemplo, fuentes de alimentación conmutadas, UPS, adquisición de datos analógicos, etc.

El último grupo -Portadora e Información Digital-, se utilizan en codificación digital. En el siguiente cuadro se resumen los tipos de modulación más importantes, clasificados según la portadora o la modulante sea analógica o digital.

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MÉTODOS DE MODULACIÓN

DBL BLU

AM BLV QAM

Información Telecomunicaciones I Analógica FM

Portadora PM Analógica ASK m-QAM

Información BPSK Digital PSK m-PSK

QPSKFSK

PAM Telecomunicaciones II Información Analógica PWM

Portadora PPM Digital

PCM Información Digital DPCM

ADPCM

AM Amplitud ModuladaDBL Doble Banda Lateral con portadora suprimida (DSB Double Side Band)BLU Banda Lateral Unica (SSB Single Side Band)(BLI, BLS) BLV Banda Lateral Vestigial (VSB Vestigial Side Band)QAM Modulación de AM con portadoras suprimidas en cuadratura (90°)FM Frecuencia ModuladaPM Fase Modulada (Phase Modulation)ASK Modulación Digital por cambio de Amplitud (Amplitud Shift Keying)m-QAM Modulación Digital Multinivel en Cuadratura (Ej: 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM)PSK Modulación Digital por cambio de Fase (Phase Shift Keying)BPSK Modulación Binaria por cambio de fase (Bi phase shift keying)m-PSK Modulación Digital Multifase (EJ: 4-PSK, (8-PSK)QPSK Modulación Digital por cambio de Fase en Cuadratura (Quaternary Phase shift keying)FSK Modulación Digital por cambio de Frecuencia (Frecuency Shift Keyin)PAM Modulación de Pulsos en AmplitudPWM Modulación de Ancho de Pulso (Pulse Wide Modulation)PPM Modulación de Posición de Pulsos (Pulse Position Modulation)PCM Modulación de Pulsos Codificados (Pulse Code Modulation)DPCM Modulación de Pulsos Codificados Diferenciales (Differential Pulse Code Modulation).ADPCM Modulación por codificación de impulsos diferencial adaptativa (Adaptive Differential

Pulse Code Modulation).

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El Receptor Heterodino

Un receptor superheterodino es un receptor de ondas de radio que utiliza un proceso de mezcla de frecuencias o heterodinación para convertir la señal recibida en una frecuencia intermedia fija, que puede ser más convenientemente elaborada (filtrada y amplificada) que la frecuencia de radio de la portadora original. Prácticamente todos los receptores modernos de radio y televisión utilizan el principio superheterodino.

El receptor superheterodino lleva a cabo casi toda la amplificación en la frecuencia constante, denominada frecuencia intermedia o FI, utilizando una frecuencia fija, se consiguen ajustes más precisos en los circuitos y se aprovecha todo lo que puede dar el componente utilizado (transistor o circuito integrado). Fue inventado por Edwin Howard Armstrong, inventor también del circuito regenerativo, del receptor super regenerativo y de la radiodifusión de frecuencia modulada (FM).En los receptores domésticos de AM (Amplitud Modulada), la frecuencia intermedia es de 455kHz; en los receptores de Frecuencia modulada (FM), generalmente es de 10,7 MHz.

Los receptores superheterodinos mezclan o heterodinan una frecuencia generada en un oscilador local (Fo,) contenido en el receptor, con la señal entrante en antena (Fi). De esta heterodinación resultan dos frecuencias: una superior (Fi + Fo) y otra inferior (Fi - Fo) a la frecuencia entrante. Una de ellas, normalmente la inferior, es elegida como FI (frecuencia intermedia), filtrada con un filtro de alto Q (factor de calidad), amplificada y posteriormente detectada o demodulada para obtener la audiofrecuencia que se oirá, después de ser convenientemente amplificada, llegara al parlante. El usuario sintoniza el receptor mediante el ajuste de la frecuencia del oscilador local (Fo) y la sintonización de las señales entrantes (Fi).

En la mayoría de los receptores estos ajustes se realizan de forma simultánea, actuando sobre un condensador variable con dos secciones en tándem, (acoplados en el mismo eje). Una de las secciones de este condensador forma parte del circuito oscilador local y la otra del de la sintonía de la señal entrante, de tal forma que cuando se varía la frecuencia sintonizada en la entrada, se varía también la frecuencia del oscilador local, manteniendo constante la diferencia entre ambas, que es la Frecuencia intermedia) (FI). A este efecto se lo denomina "arrastre".Actualmente, casi todos los receptores utilizan este método. El diagrama siguiente muestra los elementos básicos de un receptor superheterodino de conversión simple.

En la práctica no todos los diseños tendrán todos los elementos de este esquema, ni este cubre la complejidad de otros, pero los elementos esenciales, un oscilador local, un mezclador seguido por un filtro y un amplificador de FI, son comunes a todos los receptores superheterodinos.

Diagrama de un receptor superheterodino típico

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• En el receptor superheterodino el filtro del amplificador de rf (radiofrecuencia) aisla la señal que deseamos recibir del resto de las señales que llegan a la antena. Este filtro pasabandas es genérico, por lo que tiene poca selectividad en frecuencia.

• El mezclador recorre el espectro en frecuencia de la señal filtrada, centrándolo alrededor de la “frecuencia intermedia” (FI).

• Para desplazar el espectro, el mezclador utiliza la componente de conversión ascendente o descendente, según convenga.

• El filtro de frecuencia intermedia aísla perfectamente la señal a demodular, ya que es un filtro de alta selectividad en frecuencia.

• El detector demodula la señal de frecuencia intermedia (es decir, recupera el espectro de la señal original) y el amplificador le da a la señal de salida la ganancia que necesita.

Ventajas y desventajas del sistema

• La mayor parte del trayecto de la señal de radio ha de ser sensible solo a una estrecha gama de frecuencias. Solamente la parte anterior a la etapa conversora (la comprendida entre la antena y el mezclador) necesita ser sensible a una gama amplia de frecuencias.

Como ejemplo, en un receptor de AM podría necesitar ser eficiente en una gama de 1 a 30 MHz, mientras que el resto del receptor solo necesitaría una respuesta correcta a la FI, esto es a 455KHz.

• Otra ventaja es que se evitan los acoplamientos indebidos entre pasos por capacidades parásitas generadas por cables y pistas de circuito impreso, al usar una frecuencia constante.

• Una desventaja importante de estos sistemas es que existe la posibilidad de que se demodule la frecuencia imagen si no se conocen las normas que rigen el espacio radioeléctrico de una determinada zona geopolítica.

Superheterodino de doble conversión

A veces, para superar obstáculos tales como el fenómeno denominado frecuencia imagen o respuesta imagen, se utiliza más de una FI. En tales casos, la primera parte del receptor debería ser sensible a una banda de 1 a 30 MHz, como en el caso anterior, la siguiente etapa a 10,7MHz (1ª FI) y la última a 455 kHz (2ª FI).

Se utilizan dos conversores y al receptor así diseñado se le denomina Superheterodino de doble conversión. Frecuentemente se elige como primera frecuencia intermedia 10,7 MHz, y como segunda 455 KHz. Para obtener 455 KHz desde los 10,7 MHz se mezcla la primera FI con una señal proveniente de un oscilador local fijo a 10,245 MHz. Esta frecuencia suele venir fijada por un cristal de cuarzo. Existen, además, superheterodinos de triple y cuádruple conversión.

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MODULACION EN AMPLITUD (AM)

Este es un caso de modulación donde tanto las señales de transmisión como las señales de información son analógicas. Un modulador AM es un dispositivo con dos señales de entrada, una señal portadora de amplitud y frecuencia constante, y la señal de información o moduladora. El parámetro de la señal portadora que es modificado por la señal moduladora es la amplitud.

Modulador

fm AM

fp

Señal Moduladora (fm) Señal Modulada (AM)

Señal Portadora (fp)

Consideremos que la expresión matemática de la señal portadora está dada por

(1) vp(t) = Vp sen(2π fp t)

Donde Vp es el valor pico de la señal portadora y fp es la frecuencia de la señal portadora.De manera similar podemos expresar matemáticamente a la señal moduladora

(2) vm(t) = Vm sen(2π fm t)

Siendo Vm el valor pico de la señal moduladora y fm su frecuencia.

La señal modulada tendrá una amplitud que será igual al valor pico de la señal portadora más el valor instantáneo de la señal modulada.

(3) v(t) = ( Vp + vm(t) ) sen(2π fp t)

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v(t) = ( Vp + Vm sen(2π fm t) ) sen(2π fp t)

luego sacando Vp como factor común

(4) Se denomina índice de modulación

reemplazando m en (4)

Operando

(5)

recordando la relación trigonométrica

aplicamos esta entidad a la ecuación (5)

(6)

La expresión (6) corresponde a la señal modulada en amplitud.Si al índice de modulación se lo expresa en porcentaje, se obtiene el porcentaje de modulación

M puede variar de 0% a 100% sin que exista distorsión, si se permite que el porcentaje de modulación se incremente más allá del 100% se producirá distorsión por sobre-modulación, lo cuál dará lugar a la presencia de señales de frecuencias no deseadas.

M < 100% M = 100% M > 100%

Medición del índice de Modulación por método directo

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En la ecuación (6), que describe a una señal modulada en amplitud, se observa que tiene tres términos. El primero de ellos corresponde a una señal cuya frecuencia es la de la portadora, mientras que el segundo corresponde a una señal cuya frecuencia es diferencia entre portadora y moduladora y el tercero a una frecuencia suma de las frecuencias de la portadora y moduladora. Todo este conjunto da lugar a un espectro de frecuencias de las siguientes características.

Dondefp - fm: frecuencia lateral inferiorfp + fm: frecuencia lateral superior

Debido a que en general una señal analógica moduladora no es senoidal pura, sino que tiene una forma cualquiera, a la misma la podemos desarrollar en serie de Fourier y ello da lugar a que dicha señal esté compuesta por la suma de señales de diferentes frecuencias. De acuerdo a ello, al modular no tendremos dos frecuencias laterales, sino que tendremos dos conjuntos a los que se denomina banda lateral inferior y banda lateral superior.

Como la información está contenida en la señal moduladora, se observa que en la transmisión dicha información se encontrará contenida en las bandas laterales, ello hace que sea necesario determinado ancho de banda para la transmisión de la información.

Veamos un ejemplo:Si consideramos que la información requiere de 10KHz de ancho de banda, se necesitaran 10KHz para cada banda lateral, lo que hace que la transmisión en amplitud modulada de dicha señal requiera un ancho de banda de 20KHz.

Diagrama en bloques de un receptor de AM

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Diagrama en bloques de un transmisor de AM

Potencia de la señal modulada

Como la potencia es proporcional a la tensión, el espectro de potencias tiene una forma similar al espectro de tensiones visto anteriormente.Como la amplitud máxima de cada banda lateral está dada por

y teniendo en cuenta que la potencia es proporcional al cuadrado de la tensión, resulta que la potencia de la señal modulada será:

Para tener la igualdad en la última expresión debemos considerar las potencias en lugar de las tensiones.

Si se modula al 100% resulta m=1 y por lo tanto la potencia de la señal modulada será igual a 3/2 de la potencia de la portadora.

Observamos en la última ecuación que la portadora consume 2/3 de la potencia total de la señal modulada y solo queda 1/3 para las bandas laterales.

Doble Banda Lateral (DBL) (Modulación en amplitud con portadora suprimida)

Para obtener mayor rendimiento se han desarrollado sistemas que transmiten con portadora suprimida, de modo que toda la potencia de la señal modulada corresponde a las bandas laterales. La modulación DBL, no se utiliza en comunicaciones porque transmite la misma información en las dos bandas laterales, lo que no permite ahorrar ancho de banda.El espectro de frecuencias para modulación de amplitud con portadora suprimida tiene las siguientes características.

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Onda modulada en doble banda lateral sin portadora

Mezclador

La modulación DBL, también es el principio de funcionamiento del mezclador o conversor de frecuencias, que es utilizado ampliamente en el proceso heterodino.

Mezclador

f1 (f1 + f2) + (f2 - f1) RF FI

f2

OL

En telecomunicaciones, un mezclador es un circuito no lineal variante con el tiempo o un dispositivo capaz de mezclar dos señales de entrada, de frecuencias diferentes, produciendo a su salida una mezcla de señales de diferentes frecuencias igual a una combinación lineal de las dos frecuencias de entrada:

• la suma de las frecuencias de las señales de entrada • la diferencia entre las frecuencias de las señales de entrada • las dos señales originales, habitualmente consideradas como parásitas que se eliminan

mediante filtros de frecuencia.

Se utiliza habitualmente para hacer una conversión de frecuencias en sistemas de trasmisión o recepción de señal, en todas las bandas de frecuencias.

Parámetros de los mezcladores

El mezclador lo podemos considerar como una red de tres puertos y en cada puerto se aplica una señal:

• Puerto de señal (RF) • Puerto de oscilador local (OL) • Puerto de frecuencia intermedia (FI)

Hay varios parámetros de los mezcladores que definen sus propiedades y comportamiento cuando se implementan en un circuito de comunicaciones, estos nos vienen dados en los 'datasheets' del fabricante:

• Frecuencia de trabajo • Ganancia/Perdidas de conversión • Aislamiento (Isolation)

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• Compresión de la ganancia • Adaptación en los puertos • Factor de ruido • Mezclas espurias

Frecuencia de Trabajo

Como frecuencia de trabajo se entiende aquellos intervalos de frecuencia de las señales de RF (Radio Frecuencia), OL (Oscilador Local) y FI (Frecuencia Intermedia) en los que el mezclador puede trabajar. Estas tres bandas de frecuencias se especifican por separado.

Ganancia/Perdidas de conversión

• La ganancia de conversión (gain) sucede cuando la potencia de la señal de salida es mayor que la potencia de la señal de entrada (mezclador activo).

• Las pérdidas de conversión (conversión loss) suceden cuando la potencia de la señal de salida es inferior a la potencia de la señal de entrada (mezclador pasivo). Se observa que cuando hay pérdidas, la cantidad resultante será negativa.

Ambas expresadas en dB

Aislamiento (Isolation)

En un mezclador real el aislamiento entre los puertos de este no es infinito, por este motivo en la salida de cada puerto aparece parte de la señal de los otros dos. Se pueden definir los aislamientos como las pérdidas que sufre una señal al pasar de una puerta a otra sin conversión. Suelen definirse tres tipos:

• Aislamiento OL-FI • Aislamiento RF-FI • Aislamiento OL-RF

Su medida es el dB y representan la atenuación de la señal en el paso directo entre dos puertas, sin tener en cuenta los procesos de conversión.

Compresión de ganancia

En los mezcladores activos la ganancia de conversión tiene un comportamiento lineal pero conforme la potencia de entrada se incrementa esta ganancia entrará en compresión y finalmente en saturación. Hay un punto singular llamado punto de compresión a 1dB, que corresponde a la potencia de entrada para la cual la ganancia de conversión está 1dB por debajo del comportamiento lineal.

Mezclas espurias

Además a la salida del mezclador, a parte del término deseado, obtendremos un conjunto de señales , las cuales producen un conjunto de mezclas espurias que generan señales de frecuencias mfs ± nfo , a los cuales se les denomina productos de intermodulación de orden m+n. Su potencia es menor cuanto mayor es el orden. Estos productos indeseados, que son nocivos, se pueden eliminar mediante filtrado, reduciendo la potencia de entrada de la señal o por combinación de dos o más mezcladores para formar un conjunto equilibrado.

Clasificación según las ganancias o pérdidas de conversión

• 'Mezcladores pasivos: generalmente se utilizan diodos como elementos no lineales, no tienen ganancia si no que tienen perdidas de conversión (la potencia de salida es inferior a la de entrada) y tienen la relación de Factor de ruido = Pérdidas de conversión.'

• 'Mezcladores activos: están basados en transistores los cuales requieren una polarización, tienen ganancia de conversión (la potencia de salida es superior a la de entrada), requieren un menor nivel de señal del OL y el Factor de ruido es independiente de las ganancias de conversión, lo da el fabricante.'

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Banda lateral única

Como en la modulación de AM, la información se repite en cada banda lateral, se han desarrollado equipos denominados de Banda Lateral Única (BLU) o Single Side Band (SSB), en los cuales se requiere la mitad del ancho de banda del necesario para la transmisión en amplitud modulada.

En el ejemplo anterior una transmisión en banda lateral única requiere solo 10KHz de ancho de banda.

Dependiendo de la banda lateral que se transmita, superior o la inferior, se puede tener:

Upper Side Band (USB): En este caso lo que se transmite es la banda lateral superior y son suprimidas la banda lateral inferior y la señal portadora.

Lower Side Band (LSB): En este caso lo que se transmite es la banda lateral inferior y son suprimidas la banda lateral superior y la señal portadora.

Transmisor de Banda Lateral Única

Un oscilador genera la señal de la portadora, la cual es amplificada por el amplificador de aislamiento. Este amplificador suministra la señal de entrada de la portadora al modulador

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balanceado. El amplificador de audio y los circuitos de procesamiento de voz proporcionan la otra entrada del modulador balanceado. La salida del modulador balanceado se envía a un filtro pasa banda (lateral) que selecciona la banda superior o inferior.

La señal de BLU se aplica a un circuito mezclador, que lleva la señal a su frecuencia de operación final. Es común que la señal de BLU se genere a una frecuencia mucho más baja, lo cual hace que los circuitos de modulación balanceada sean más simples y fáciles de diseñar.

Receptor de BLU

Un receptor de BLU o CW (clave Morse) tienen un oscilador interconstruido que les permite recuperar la información. Este circuito se llama oscilador de frecuencia de batido (BFO, beat frecuency oscilator) que en general se diseña para operar cerca de la FI y se aplica al modulador junto con la señal de FI que contiene la modulación. El demodulador no es más que un demodulador balanceado, que tiene dos entradas: la señal de llegada de BLU en la FI y una portadora que se mezclara con la señal de llegada para producir para producir las frecuencias de suma y diferencia, de las que la frecuencia de diferencia es la señal mensaje original. El BFO es el oscilador que suministra la señal de la portadora al modulador balanceado.

Banda lateral vestigial

La modulación de banda lateral vestigial, en inglés Vestigial Side Band (VSB), es una modulación lineal que consiste en filtrar parcialmente una de las dos bandas laterales resultantes de una modulación en doble banda lateral o de una modulación AM.Esta modulación se utiliza en la transmisión de la componente de luminancia en los sistemas PAL, SECAM y NTSC de televisión analógica. La banda lateral que es parcialmente filtrada constituye un vestigio de la banda lateral original y porta habitualmente del 5% al 10% de la potencia total transmitida, mejorando la relación señal a ruido en las bajas frecuencias de la señal moduladora.

Las principales ventajas de este sistema son:

• Ocupa menor ancho de banda que la modulación en AM

• Puede ser demodulada usando demoduladores síncronos de AM

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QAM

La modulación de amplitud en cuadratura, en inglés Quadrature Amplitude Modulation (QAM), es una modulación lineal que consiste en modular en doble banda lateral dos portadoras de la misma frecuencia desfasadas π / 2 radianes (90°). Cada portadora es modulada por una de las dos señales a transmitir. Finalmente las dos modulaciones se suman y la señal resultante es transmitida.

Este tipo de modulación tiene la ventaja de que ofrece la posibilidad de transmitir dos señales en la misma frecuencia, de forma que favorece el aprovechamiento del ancho de banda disponible. Tiene como inconveniente que es necesario realizar la demodulación con demoduladores síncronos.

Proyección de una señal "en fase" (coseno) y una señal "en cuadratura" (seno) en la "constelación I-Q". Nótese que entre ellas existe un desfasaje de 90°.

Diagrama de fase de una señal QAM

Diagrama en bloques de un modulador y un demodulador QAM Analógico.

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Sistemas analógicos que utilizan la modulación QAM

La modulación de amplitud en cuadratura es utilizada en los sistemas PAL y NTSC de televisión analógica para transmitir las dos señales diferenciales de crominancia (R-Y) (B-Y).

Resumen AM

Tipo modulación

(AM)

Eficiencia Ancho de

banda

Eficiencia en Potencia

modular demodular

BLD mala buena fácilproblemas

sincronización de fase

Convencional mala mala fácil Muy fácil

BLU buena buenamás

complicado problemas

sincronización de fase

BLVBuena, pero no

tanto como BLU

buena Ligeramente

más complicado

Más fácil

De todas formas, estos tipos de modulaciones NO aseguran un buen nivel de inmunidad al ruido.

Modulaciones Angulares

En las modulaciones de amplitud, a amplitud de la portadora seguía las variaciones de a señal moduladora en banda base.En el caso de las modulaciones angulares, es el ángulo de la señal portadora que sigue las variaciones de la señal en banda base, mientras la amplitud de la portadora se mantiene constante.

Tipos de modulaciones angulares Hay dos tipos: modulación en frecuencia (FM), y modulación en fase (PM). Son muy similares y tienen una relación estricta entre si.La diferencia entre ambas es la desviación, en la modulación de fase es menos de 1Hz, mientras que en la modulación de frecuencia es mayor a 1Hz. Las modulaciones angulares poseen características mejores frente al ruido respecto a las modulaciones de amplitud.

Modulación de Frecuencia - FM

La modulación angular fue introducida en el año 1931, como una alternativa a la modulación

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en amplitud. Sugirió que la onda con modulación angular era menos susceptible al ruido que AM y consecuentemente, podía mejorar el rendimiento de las comunicaciones de radio. El mayor E.H. Armstrong desarrollo el primer sistema radio FM con éxito, en 1936 (quien también desarrollo el receptor superheterodino) y, en julio de 1939, la primera radiodifusión de señales FM programada regularmente comenzó en Alpine, New Jersey. Actualmente la modulación angular se usa extensamente para la radiodifusión de radio (FM 88-108Mhz), transmisión de sonido de televisión, radio móvil de dos sentidos, y los sistemas de comunicaciones por microondas y satélite.

Este es un caso de modulación donde tanto las señales de transmisión como las señales de información son analógicas y es un tipo de modulación exponencial. En este caso la señal modulada mantendrá fija su amplitud y el parámetro de la señal portadora que variará es la frecuencia, y lo hace de acuerdo a como varíe la amplitud de la señal moduladora.

Modulador

fm FM

Señal Moduladora (fm) (FM) Señal Modulada

(FM) Señal Portadora sin

Modular

La expresión matemática de la señal portadora, está dada por:

(1) vp(t) = Vp sen(2π fp t)

Donde Vp es el valor pico de la señal portadora y fp es la frecuencia de la señal portadora.Mientras que la expresión matemática de la señal moduladora está dada por:

(2) vm(t) = Vm sen(2π fm t)

Siendo Vm el valor pico de la señal moduladora y fm su frecuencia.De acuerdo a lo dicho anteriormente, la frecuencia f de la señal modulada variará alrededor de la frecuencia de la señal portadora de acuerdo a la siguiente expresión

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f = fp + Δf sen(2 π fm t)

por lo tanto la expresión matemática de la señal modulada resulta

vp(t) = Vp sen[2π (fp + Δf sen(2 π fm t) ) t]

Δf se denomina desviación de frecuencia y es el máximo cambio de frecuencia que puede experimentar la frecuencia de la señal portadora. A la variación total de frecuencia desde la más baja hasta la más alta, se la conoce como oscilación de portadora.De esta forma, una señal moduladora que tiene picos positivos y negativos, tal como una señal senoidal pura, provocara una oscilación de portadora igual a 2 veces la desviación de frecuencia.

Una señal modulada en frecuencia puede expresarse mediante la siguiente expresión

Se denomina índice de modulación a

Se denomina porcentaje de modulación a la razón entre la desviación de frecuencia efectiva respecto de la desviación de frecuencia máxima permisible.

Al analizar el espectro de frecuencias de una señal modulada en frecuencia, observamos que se tienen infinitas frecuencias laterales, espaciadas en fm, alrededor de la frecuencia de la señal portadora fp; sin embargo la mayor parte de las frecuencias laterales tienen poca amplitud, lo que indica que no contienen cantidades significativas de potencia.

El análisis de Fourier indica que el número de frecuencias laterales que contienen cantidades significativas de potencia, depende del índice de modulación de la señal modulada, y por lo tanto el ancho de banda efectivo también dependerá de dicho índice.

Ancho de banda efectivo

Se define como ancho de banda efectivo en una modulación angular, las frecuencias que contienen más del 98% de la potencia de la señal.

Schwartz desarrollo la siguiente gráfica para determinar el ancho de banda necesario para transmitir una señal de frecuencia modulada cuando se conoce el índice de modulación.

En la construcción de la gráfica se ha empleado el criterio práctico que establece que una señal de cualquier frecuencia componente, con una magnitud (tensión) menor de 1% del valor de la magnitud de la portadora sin modular, se considera demasiado pequeña como para ser significativa.

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FM de banda angosta y FM de banda ancha

Al examinar la curva obtenida por Schwartz, se aprecia que para altos valores de mf, la curva tiende a la asíntota horizontal, mientras que para valores bajos de mf tiende a la asíntota vertical. Un estudio matemático detallado indica que el ancho de banda necesario para

transmitir una señal FM para la cual , depende principalmente de la frecuencia de la

señal moduladora y es totalmente independiente de la desviación de frecuencia. Un análisis más completo demostraría que el ancho de banda necesario para transmitir una señal de FM,

en la cual , es igual a dos veces la frecuencia de la señal moduladora.

BW = 2 fm para

De igual manera que en AM ya a diferencia de lo que ocurre para FM con , por cada

frecuencia moduladora aparecen dos frecuencias laterales, una inferior y otra superior, a cada lado de la frecuencia de la señal portadora y separadas en fm de la frecuencia de la portadora.

Dado lo limitado del ancho de banda cuando , se la denomina FM de banda angosta,

mientras que las señales de FM donde mf > π/2, se las denomina FM de banda ancha.Los espectros de frecuencia de AM y de FM de banda angosta, aunque pudieran parecer iguales, por medio del análisis de Fourier se demuestra que las relaciones de magnitud y fase en AM y FM son totalmente diferentes

Modulación de FM en banda Ancha

Señal Moduladora (fm)

En FM el contenido de potencia de las señal portadora disminuye conforme aumenta mf, con lo que se logra poner la máxima potencia en donde está la información, es decir en las bandas laterales.En FM de banda ancha se tiene la ventaja de tener una mejor relación señal / ruido.

Modulación de FM Con Banda Lateral Vestigial

Este sistema se utiliza en los magnetoscopios (video grabadoras) para registrar en la cinta magnética la señal de luminancia (información luminosa) del video a grabar. Ejemplos de este sistema son las video grabadoras VHS, VIDEO 2000, BETA, UMATIC y otras.

Pico de Sincronismo Pico de Blanco

Señal de Video (f. moduladora)

Transmisor y Receptor de Frecuencia Modulada

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Un transmisor de FM tiene una estructura básica como se muestra en la figura.

En la etapa de audio, el micrófono (transductor) se conecta a un amplificador como fase previa para llevar la señal moduladora de banda base al modulador, donde ya se genera una señal modulada. En la siguiente etapa, existe un oscilador local que genera la señal portadora sinusoidal, que se mezcla con la señal modulada para formar una señal de radiofrecuencia (RF) modulada a la frecuencia de transmisión.

Finalmente, esta señal se lleva a un filtro de radiofrecuencia y a un amplificador de RF (etapa final), en la que la señal es filtrada y nuevamente amplificada antes de ser entregada a la antena.

Estructura básica de un receptor de FM.

En el receptor se realiza el proceso inverso que en el transmisor, de forma que a su salida, en el altavoz, dispongamos de la información que queríamos transportar.La primera etapa del receptor consiste en un amplificador de RF conectado a la antena receptora, que amplifica la señal debido a que ésta ha sufrido procesos de atenuación en el canal.

A continuación, se lleva a un mezclador al que también se conecta un oscilador local, de forma que la señal se baja en frecuencia antes de ser demodulada, es decir, se convierte nuevamente en señal en banda base. Este proceso se puede realizar en varias etapas, bajando la señal a diversas frecuencias intermedias (FI) antes de pasarse al detector, proceso conocido con el nombre de heterodino. Los receptores que disponen de varias etapas de frecuencia intermedia se denominan receptores superheterodinos, y presentan grandes ventajas respecto a los convencionales en lo referente a calidad de la señal demodulada.

Finalmente, la señal de frecuencia intermedia se entrega al demodulador, donde se realiza el proceso inverso a la modulación para obtener una señal demodulada que pasa al altavoz para ser escuchada por el usuario final.

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Modulación de Fase - (PM)

Este también es un caso de modulación donde las señales de transmisión como las señales de datos son analógicas y es un tipo de modulación exponencial al igual que la modulación de frecuencia. En este caso el parámetro de la señal portadora que variará de acuerdo a señal moduladora es la fase.

La modulación de fase (PM) no es muy utilizada principalmente por que se requiere de equipos de recepción más complejos que en FM y puede presentar problemas de ambigüedad para determinar por ejemplo si una señal tiene una fase de 0º o 180º.

Modulador

(fm) PM

Señal Moduladora (fm) Señal Modulada

Modulación Portadora sin Modular

La forma de las señales de modulación de frecuencia y modulación de fase son muy parecidas. De hecho, es imposible diferenciarlas sin tener un conocimiento previo de la función de modulación.Consideremos tener una señal portadora dada por la siguiente expresión:

vp(t) = Vp cos(2π fp t )

Donde Vp es el valor pico de la señal portadora y fp es la frecuencia de la señal portadora, y que la expresión matemática de la señal moduladora está dada por:

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vm(t) = Vm sen(2π fm t )

Siendo Vm el valor pico de la señal portadora y fm su frecuencia. Si consideramos que la fase de la señal portadora varia proporcionalmente a la amplitud de la señal moduladora, o sea que

Φ(t) = ΔΦvm(t) = ΔΦ Vm sen(2π fm t)

Donde ΔΦ es la constante de desviación de fase.Como el valor máximo que puede tomar vm(t) es Vm, resulta que la máxima variación de ΔΦ será

pues por lo tanto la señal modulada resulta

v(t) = Vp cos[ 2π fp t + Φ(t) ]

donde Φ(t) será la variación de la fase debida a la modulación, reemplazando tenemos

v(t) = Vp cos[ 2π fp t + ΔΦ Vm sen(2π fm t) ]

llamando Β = ΔΦ Vm, el índice de modulación resulta

v(t) = Vp cos[ 2π fp t + Β sen(2π fm t) ]

Esta última expresión tiene la misma forma matemática que la expresión modulada en frecuencia, con la salvedad que Β es independiente de la frecuencia.Por lo tanto los espectros de frecuencias de la modulación de fase tienen las mismas características generales que los espectros de modulación de frecuencia.Si fm cambia, en tanto se mantenga fija la amplitud Vm, Β se mantiene constante y solo se altera el espaciamiento entre las líneas del espectro de frecuencias. Esto difiere de la modulación de frecuencia donde varía el espaciamiento y la amplitud de las líneas del espectro de frecuencias.

En PM las consideraciones acerca del ancho de banda son similares a las del ancho de banda en FM.

Transmisor y Receptor de Modulación de Fase

En el transmisor la señal proveniente del micrófono es amplificada conformando la señal moduladora, esta afecta al oscilador local, provocando la modulación. Esta portadora de rf modulada en fase, es amplificada y filtrada antes de ser aplicada a la antena.

Diagrama simplificado de un modulador de fase

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En el receptor, la señal modulada en fase ingresa desde el amplificador de frecuencia intermedia al detector de fase. Al mismo tiempo al detector esta ingresando la señal del oscilador controlado por tensión (vco), que tiene la misma frecuencia que la señal de entrada.El detecto de fase entrega una tensión de error proporcional a la diferencia de fase de las señales de entrada y vco, esta señal es amplificada y realimentada (realimentación negativa) al oscilador (vco), para tratar de corregir el error, manteniendo al oscilador enganchado en fase con la señal de entrada. La tensión de error es la señal demodulada.

Diagrama en bloques de un demodulador de Fase con PLL

Comparación entre AM y FM

La frecuencia modulada posee varias ventajas sobre el sistema de modulación de amplitud (AM) utilizado alternativamente en radiodifusión. La más importante es que al sistema FM apenas le afectan las interferencias y descargas estáticas. Algunas perturbaciones eléctricas, como las originadas por tormentas o sistemas de encendido de los automóviles, producen señales de radio de amplitud modulada que se captan como ruido en los receptores AM.

Un equipo de FM bien diseñado no es sensible a tales perturbaciones cuando se sintoniza una señal FM de suficiente potencia. Además, la relación señal-ruido en los sistemas FM es mucho mayor que en los AM.

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Espectro Radioeléctrico

¿Qué es el Espectro Radioeléctrico?

El Espectro Radioeléctrico es un recurso natural, de carácter limitado, que constituye un bien de dominio público, sobre el cual el Estado ejerce su soberanía. Es asimismo, un medio intangible que puede utilizarse para la prestación de diversos servicios de comunicaciones, de manera combinada o no con medios tangibles como cables, fibra óptica, entre otros.

Está compuesto por un conjunto de frecuencias que se agrupan en “bandas de frecuencias” y puede ser utilizado por los titulares de una Licencia Única de Telecomunicaciones para la prestación de Servicios de comunicaciones inalámbricas, radiodifusión sonora y televisión (Servicios de Radiodifusión (AM, FM, TV), Internet, Telefonía Fija y Celular, brindados por un prestador o licenciatario); o por titulares de Autorizaciones para operar Sistemas relacionados con seguridad, defensa, emergencias, transporte e investigación científica, así como aplicaciones industriales y domésticas (Sistemas de Radionavegación Marítimas y Aeronáuticas, Sistemas de Seguridad (Aeropuertos, Alarmas, Radiolocalización de vehículos, Monitoreo, etc.), diversos Sistemas y Servicios Radioeléctricos tanto de uso civil como militar (Fuerzas de Seguridad, FFAA, Policía, Bomberos, Defensa Civil, Salud Pública, Radioaficionados, Radiotaxis, Radiomensajes, etc.)). Es uno de los elementos sobre los que se basa el sector de la información y las comunicaciones para su desarrollo y, para todo ciudadano, se traduce en un medio para acceder a la información.

Actualmente en nuestro país, la demanda de espectro para la consolidación de servicios inalámbricos como los sistemas de comunicaciones móviles, las redes de televisión digital terrestre o los diversos sistemas de acceso inalámbrico de banda ancha, es elevada, sin embargo hay que tomar en cuenta que no todas las porciones – o bandas – del mismo son aptas para cualquier servicio o sistema, sino que por el contrario, determinadas zonas del espectro están especialmente indicadas para proporcionar servicios concretos.Entonces, para que dichos sistemas de comunicaciones puedan funcionar correctamente y sin interferir a otros, el Espectro se divide y se atribuyen bandas específicas para la operación de los servicios mencionados. En él sólo deben operar usuarios autorizados, entendiendo que dicha autorización permite garantizar el normal funcionamiento y calidad de los servicios que se prestan u operan haciendo uso del Espectro.Así, las porciones de frecuencias que conforman el espectro deben ser:

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“atribuidas” a uno o más servicios “asignadas” a determinado usuario

Atribución de bandas del Espectro

El Espectro Radioeléctrico es el conjunto de frecuencias que, conforme a la tecnología disponible, pueden ser empleadas para emitir ondas que permitan transportar información.La manera en cómo está atribuido el Espectro Radioeléctrico en nuestro país se puede consultar en el "Cuadro de Atribución de Bandas de Frecuencias de la República Argentina", al que abreviadamente se lo conoce como CABFRA.

El Cuadro Nacional de Atribución de Bandas de Frecuencias contiene el detalle del espectro discriminado en las distintas bandas de frecuencias vigentes y los servicios autorizados para su uso. La CNC mantiene actualizado el Cuadro ante una nueva atribución o modificación de atribución de bandas para servicios nuevos o existentes.

La atribución de una banda a un servicio puede ser con categoría primaria o secundaria, significando esto que, si el servicio posee categoría primaria, está protegido contra interferencias, mientras que si su categoría es secundaria, no sólo no se encuentra protegido contra interferencias sino que además tiene prohibido interferir, y llegado el caso, se deberá arbitrar los medios para cesar las interferencias.En el siguiente gráfico se representan las frecuencias que componen el espectro radioeléctrico. y sus Frecuencias de operación.

La siguiente tabla muestra las frecuencias de operación y los niveles de potencia que emiten los diversos Servicios y Sistemas de Comunicaciones Radioeléctricas, dando un orden de magnitud de potencia irradiada por cada uno de ellos, siendo los más elevados los correspondientes a Radiodifusión.

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SERVICIO FRECUENCIAS DE OPERACIÓN POTENCIA IRRADIADA

Radiodifusión de AM

535 - 1705 Khz. Mín 100 W Máx 100 kW

Radiodifusión de FM

88 - 108 MHz Mín 30 W Max 100 kW

Radiodifusión de TV

TV abiertaVHF bajo: 54 - 72 MHz (canales

2-4) 76 - 88 MHz (c. 5-6) VHF alto: 174 - 216 MHz (c. 7-

13)

UHF (en gral. TV abierta o codificada)

512 - 806 MHz (21-69)

VHF. Mín 5 kw en estación autónoma, 50 W en repetidora.

Máx 30 kW en transmisor, irradiado hasta 150 kW

UHF (codificado, área reducida):aprox. 25 W

Asignación de frecuencias

Las frecuencias asignadas a cada usuario se autorizan mediante el dictado de una resolución o disposición, permitiéndole instalar y poner en funcionamiento estaciones radioeléctricas en los distintos domicilios para los cuales ha solicitado el permiso de uso. Las frecuencias pueden asignarse a uno o más usuarios, dependiendo del tipo de sistema que resulte óptimo utilizar en cada caso, por lo cual la asignación puede ser en modalidad compartida, tal el caso de las empresas de remises, como en modalidad exclusiva, como por ejemplo, los radiotaxis.La instalación de una estación base contempla dos facetas diferentes: la arquitectónica (obra civil) regulada por los Municipios mediante Ordenanzas Municipales sobre lo cual la CNC no tiene competencia; y la de comunicaciones, regulada por la CNC.Todo titular de una estación radioeléctrica debe contar con la autorización que otorga la CNC.

Comunicaciones Radioeléctricas

La operación de sistemas radioeléctricos debe hacerse dentro del régimen de legalidad vigente.El trámite de autorización permite la normal coexistencia de las comunicaciones en el espectro radioeléctrico y da derecho a ser protegido por la comisión nacional de comunicaciones (CNC) de las interferencias producidas por usuarios en infracción, garantizando así la calidad de las comunicaciones.

La CNC entiende en la asignación de frecuencias y normativas técnicas para el funcionamiento de estaciones constitutivas de redes de comunicaciones terrestres compuestos por enlaces entre puntos fijos o móviles, y analiza y verifica las características y confiabilidad de los sistemas en proyecto, los cálculos de propagación de los enlaces radioeléctricos y la compatibilidad electromagnética entre estaciones; y elabora la documentación técnica para las Autorizaciones Radioeléctricas.

Existen distintos servicios y sistemas dependiendo de la banda que se utilice, la modalidad de uso del espectro, la aplicación para uso privado o para la prestación de un servicio a terceros.

Las bandas se proponen en principio a nivel internacional, y luego las Administraciones realizan las subdivisiones necesarias de acuerdo a las necesidades específicas de cada país.

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Servicios y Sistemas de Radiocomunicaciones

Los servicios / sistemas de radiocomunicaciones implican la emisión y/o recepción de ondas radioeléctricas con fines de transmisión / recepción de información, para la cobertura de necesidades de telecomunicaciones o de tipo científico o industrial.Los servicios se clasifican de diferentes formas, en una primera clasificación tendremos:

Servicio fijo Servicio móvil Servicio de radiodifusión

El primer caso es un servicio típicamente del tipo punto a punto, en tanto que los otros dos son servicios de tipo punto a zona.Existen otras clases de servicios caracterizados por sus aplicaciones, como son:

• Servicios de radio determinación, que incluyen a los de radionavegación y radiolocalización.

• Servicios de exploración de la Tierra por satélite. • Servicios de radioastronomía e investigación espacial. • Servicios de frecuencias patrón y señales horarias. • Servicios de aficionados.

Todos los servicios pueden explotarse en la modalidad terrenal o por satélite. Así ocurre, por ejemplo, con los servicios móviles, que se subdividen, tanto si son terrenales como por satélite en:

• Servicio móvil terrestre. • Servicio móvil marítimo. • Servicio móvil aeronáutico.

En analogía a los servicios, las estaciones radioeléctricas se clasifican en:

• Estación terrenal: aquélla que efectúa radiocomunicaciones terrenales. • Estación espacial: la que se encuentra en el espacio. • Estación terrena: la que situada en la superficie de la Tierra, o la atmósfera, establece

comunicaciones con estaciones espaciales. • Estación fija: estación del servicio fijo. • Estación móvil: estación del servicio móvil que se utiliza en movimiento.

En radiocomunicaciones, se distingue tres modos de explotación:

• Explotación simplex: modo de explotación que permite transmitir, alternativamente, en uno u otro sentido de un canal radioeléctrico.

• Explotación dúplex: modo de explotación que permite la transmisión simultánea en los dos sentidos de un canal radioeléctrico.

• Explotación semidúplex: modo de explotación simplex en un punto del enlace de radiocomunicaciones y dúplex en otro u otros.

La explotación dúplex y semidúplex requieren, en general, el empleo de dos frecuencias radioeléctricas. La explotación simplex puede realizarse con una o dos frecuencias.

Administración del Espectro

La necesidad de utilización de una frecuencia radioeléctrica para cada enlace de radiocomunicación, junto con la enorme demanda de servicios de este tipo y los problemas de interferencias, implican que la asignación de frecuencias a las estaciones de radio sea un proceso complejo, que debe estar sujeto a una cuidadosa planificación.Se acentúa este requisito por el hecho de que el espectro radioeléctrico es un recurso de la

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naturaleza, aunque reutilizable, muy escaso, por lo que debe tratarse de optimizar su uso, de manera que puedan utilizarlo el mayor número posible de estaciones, con un mínimo de perturbaciones mutuas.

El espectro radioeléctrico se divide en Bandas de Frecuencias, las que son atribuidas a los diferentes servicios / sistemas radioeléctricos. Tales atribuciones las efectúa la U.I.T en las Conferencias de Radiocomunicaciones y quedan recogidas en el Cuadro de Atribución de Bandas de Frecuencias del Reglamento de Radiocomunicaciones.

DISTRIBUCIÓN CONVENCIONAL DEL ESPECTRO RADIOELECTRICO

SIGLA DENOMINACION LONGITUD DE ONDA

GAMA DE FRECUENC.

CARACTERISTICAS USO TIPICO

VLF

VERY LOW FRECUENCIES

Frecuencias Muy Bajas

30.000 ma

10.000 m

10 KHza

30 KHz

Propagación por onda de tierra, atenuación débil.Características estables.

Enlaces de radio a gran distancia

LFLOW

FRECUENCIESFrecuencias Bajas

10.000 m.a

1.000 m.

30 KHza

300 KHz

Similar a la anterior, pero de características menos estables.

Enlaces de radio a gran distancia, ayuda a la navegación aérea y marítima.

MFMEDIUM

FRECUENCIESFrecuencias Medias

1.000 m.a

100 m.

300 KHza

3 MHz

Similar a la precedente pero con una absorción elevada durante el día. Prevalece propagación ionosférica durante la noche.

Radiodifusión AM y onda corta

HFHIGH

FRECUENCIESFrecuencias Altas

100 m.a

l0 m.

3 MHza

30 MHz

Prevalece propagación Ionosférica con fuertes variaciones estacionales y en las diferentes horas del día y de la noche.

Comunicaciones de todo tipo a media y larga distancia

VHF

VERY HIGH FRECUENCIES

Frecuencias Muy Altas

10 m.a

1 m.

30 MHza

300 MHz

Prevalece propagación directa, ocasionalmente propagación Ionosférica o Troposférica.

Enlaces de radio a corta distancia, Televisión, Frecuencia Modulada

UHF

ULTRA HIGH FRECUENCIES

Frecuencias Ultra Altas

1 m.a

10 cm.

300 MHza

3 GHz

Solamente propagación directa, posibilidad de enlaces por reflexión o a través de satélites artificiales.

Enlaces de radio, Ayuda a la navegación aérea, Televisión, WI-FI

SHF

SUPER HIGH FRECUENCIES

Frecuencias Superaltas

10 cm.a

1 cm.

3 GHza

30 GHz

Como la Precedente Radar, enlaces de radioWI-FI, Satélites

EHF

EXTRA HIGH FRECUENCIES

Frecuencias Extra-Altas

1 cm.a

1 mm.

30 GHza

300 GHz

Como la Precedente Radar, enlaces de radio, Satélites

EHF

EXTRA HIGH FRECUENCIES

Frecuencias Extra-Altas

1 mm.a

0,1 mm.

300 GHza

3.000 GHz

Como la Precedente Como la Precedente

Esta división del ESPECTRO DE FRECUENCIAS fue establecida por el CONSEJO CONSULTIVO INTERNACIONAL DE LAS COMUNICACIONES DE RADIO (CCIR) en el año 1953. Debido a que la radiodifusión nació en los Estados Unidos de América las

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denominaciones de las divisiones se encuentran en idioma inglés y de allí las abreviaturas tal cual las conocemos adoptadas en la Convención de Radio celebrada en Atlantic City en 1947.

A su vez la UNIÓN INTERNACIONAL DE TELECOMUNICACIONES (UIT-ITU) dividió al planeta en tres regiones, en las cuales la distribución de las frecuencias para los distintos usos y servicios son similares, en los países que integran una región determinada. La REGIÓN 1 es Europa, Africa, El Medio Oriente, Mongolia y las Repúblicas de la ex-Unión Soviética. La REGIÓN 2 son los países de las Américas. La REGIÓN 3 es el resto del Mundo, principalmente Asia y Oceanía

La Administraciones de los diferentes países, dentro de los Planes de Adjudicaciones, efectúan las atribuciones de frecuencias. En la República Argentina las atribuciones están recopiladas en el Cuadro de Atribución de Bandas denominado CABFRA.

Asimismo, las ondas radioeléctricas no conocen fronteras, por lo que resulta necesario que la gestión tenga un alcance internacional. Por ello una parte importante de esa gestión es competencia de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (U.I.T.) y se instrumenta mediante el Reglamento de Radiocomunicaciones, donde se establecen los mecanismos de coordinación internacional para la utilización espectro radioeléctrico. Por otra parte existen acuerdos de coordinación de estaciones radioeléctricas entre las Administraciones de países de fronterizos.La República Argentina forma parte del Grupo Mercado Común del Mercosur (GMC) en la cual se acuerdan los mecanismos y procedimientos a seguir para la coordinación de las estaciones que pudiera autorizar una administración y que pudieran afectar a otras estaciones autorizadas en las Administraciones de otros países limítrofes.

Tal es el caso de la Resolución SC 39/2007 que aprueba e incorpora al ordenamiento jurídico nacional el Manual de Procedimientos de Coordinación de Frecuencias para Estaciones del Servicio Fijo (punto a punto) en Frecuencias Superiores a 1000 MHz, la cual posibilita armonizar procedimientos técnicos y administrativos para la instalación y funcionamiento de las estaciones radioeléctricas que componen los enlaces punto a punto que operan en frecuencias por encima de 1000 MHz.

Generalidades sobre las asignaciones de frecuencia para el servicio fijo / móvil terrestre.

Para una correcta administración del espectro radioeléctrico las asignaciones de banda o canales de frecuencias se dividen en dos grandes grupos:

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Frecuencias compartidas: es aquella donde varios usuarios comparten las mismas frecuencias, durante un período de tiempo determinado, en la misma zona geográfica de operación de su sistema radioeléctrico, por lo que el funcionamiento de las estaciones radioeléctricas involucradas no se encuentra libre de eventuales interferencias provenientes de otras estaciones debidamente autorizadas.

Frecuencias exclusivas: es aquella en la cual un único usuario posee asignada una o más frecuencias durante un período de tiempo, en la zona geográfica de su sistema radioeléctrico, por lo que el funcionamiento de las estaciones radioeléctricas involucradas está libre de interferencias perjudiciales provenientes de otras estaciones debidamente autorizadas.

Asimismo, según el tipo de utilización que se realice las frecuencias exclusivas pueden tener el siguiente uso:

Uso privado (MEVHF, APL, TPRS, CPLD, MXD, TPTV, SEE, etc.) Uso oficial (SRCEO) Prestación de Servicio (SFDVA, SFAD, SRCE, SAP, SRT, SLV, SLM, etc.)

También, las frecuencias pueden tener asignaciones según la siguiente división:

Asignación por canales (MCVHF, MXD, MCBO, MCOOP, etc.) Asignación por grupo de canales (MCSEG, SRCE, MCREM, RTRAM, etc.) Asignación por banda (SEE, SIALBA, etc.)

Por otra parte, la frecuencia de operación de los sistemas radioeléctricos determinará los diferentes modos de propagación de las ondas radioeléctricas (por onda de superficie, onda ionosférica, onda espacial-troposfera)

En consecuencia, para canales con frecuencias de operación por debajo de 30 MHz (banda de HF), la asignación dependerá:

De la ubicación de las estaciones a instalar. Del circuito de comunicación a entablar (longitud del enlace, distancia entre transmisor

y receptor). De la ocupación previa del canal bajo consideración, ya sea por una asignación previa

del mismo a nivel nacional o por parte de otro país. De la hora del día en que se realizarán las comunicaciones, debido a la incidencia del sol

en la ionosfera. De la época del año en función del período de actividad solar. De las horas del día en que es posible asignar un bloque de tiempo (período) para

utilizar el canal.

Para frecuencias o canales ubicados entre los 30 MHz y 1000 MHz, la asignación dependerá de la congestión de la banda de frecuencia en la zona geográfica o coordenada en torno a las cuales se realiza el estudio y del tipo de sistema o servicio radioeléctrico a instalar. De esta forma toda asignación de canales está sujeta al estudio de compatibilidad electromagnética con sistemas o servicios autorizados en la zona en que se realiza el análisis, y dado que en estas bandas de frecuencias (VHF – UHF) predomina el modo de propagación por onda espacial (troposférica) dicho análisis se realiza en áreas de no más de 200 Km. de radio.

En los sistemas multicanales que operan en frecuencias ubicados por encima de 1000 MHz (sistemas o enlaces punto a punto que operan en lo que usualmente se denomina “banda de microondas”), y dadas la particularidades que poseen estos sistemas, con grandes anchuras de bandas y antenas con alta directividad permiten un mayor reuso del espectro, en comparación con las bandas de VHF / UHF.

En todos los casos, los equipos a emplear deberán estar inscriptos en los registros específicos de la COMISION NACIONAL de COMUNICACIONES.

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Propagación de las Ondas Radioeléctricas

La propagación de ondas se refiere a la propagación de ondas electromagnéticas en el espacio libre. Aunque el espacio libre realmente implica en el vacío, con frecuencia la propagación por la atmosfera terrestre se llama propagación por el espacio libre y se puede considerar siempre así. La principal diferencia es que la atmosfera de la tierra introduce perdidas de la señal que no se encuentran en el vacío.Las ondas electromagnéticas se propagan a través de cualquier material dieléctrico incluyendo el aire, pero no se propaga bien a través de conductores con pérdidas como el agua de mar ya que los campos eléctricos hacen que fluyan corrientes en el material disipando con rapidez la energía de las ondas.Las ondas de radio se consideran ondas electromagnéticas como la luz y al igual que ésta, viajan a través del espacio libre en línea recta con una velocidad de 300,000,000 metros por segundo. Otras formas de ondas electromagnéticas son los rayos infrarrojos, los ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma.Las ondas de radio se propagan por la atmosfera terrestre con energía transmitida por la fuente, posteriormente la energía se recibe del lado de la antena receptora. La radiación y la captura de esta energía son funciones de las antenas y de la distancia entre ellas. Las ondas radioeléctricas están compuestas por una onda senoidal eléctrica que se mueve perpendicular a la onda magnética en la dirección de la propagación.

Existen cuatro formas distintas de propagación de las ondas radioeléctricas:Propagación de onda por refracción, difracción, reflejada, y directa. La primera es una propagación ionosférica, y las tres últimas son propagaciones terrestres.

LA IONOSFERA

La ionosfera es un grupo de capas en nuestra atmósfera donde el aire es muy delgado y que se extiende entre los 50 km y los 500km de altura. Bajo la influencia de la radiación solar los átomos se rompen formando iones. Lo mejor de este proceso es que esos iones pueden reflejar o doblar ondas de radio hasta una determinada longitud de onda.

La ionización es un proceso de ruptura de los enlaces electrónicos en los átomos, que producen la formación de parejas de iones de cargas opuestas. Los principales mecanismos de ionización son la colisión de los átomos o moléculas con otros átomos e iones, la interacción con algún tipo de radiación y la aportación de calor.Los iones son los que dan nombre a la ionosfera la cual al ser más ligera permite a los

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electrones moverse más libremente. Este factor es importante para la propagación de alta frecuencia (HF: 3 a 30 Mhz). Generalmente, cuantos más electrones hay, frecuencias más altas se pueden usar.

Durante el día puede haber en la ionosfera 4 regiones o capas llamadas D, E, F1 y F2.Sus alturas aproximadas son:

Región D de 50 a 90 Km. Región E de 90 a 140 Km. Región F1 de 140 a 210 Km Región F2 más de 210 Km de altura.

Por la noche solamente hay 2 regiones E y F, y sus alturas aproximadas son:

Región E de 90 a 140 Km. Región F de 240 a 300 Km

Estructura de la ionosfera de día y de noche.

La propagación durante el día, es del tipo "Esporádica-E" se da en la región E de la ionosfera. Por la noche las regiones D, E y F1 se quedan sin electrones libres, y a ciertas horas del ciclo solar la región F1 se junta con la F2, siendo entonces la región F la única disponible para las

comunicaciones; de todas formas no es raro que también pueda darse por la noche la propagación "esporádica-E". Todas las regiones excepto la D reflejan las ondas de HF. La Región D pese a no reflejarlas también es importante ya que ésta se encarga de absorberlas o atenuarlas.

La región F2 es la más importante para la propagación de HF ya que:Está presente las 24 hs del día. Su altitud permite comunicaciones más lejanas, Y normalmente refleja las frecuencias más altas de HF. Ya que la causa principal de la ionización es la actividad solar, el comportamiento de la ionosfera está muy influido por los ciclos solares observados desde la tierra.

Los periodos de estos ciclos son:

· Diurno.· Anual.· De 11 años.

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Campo Geomagnético (GMF)

Aunque no sea una parte de la ionosfera es importante explicar el concepto dado que la afecta en gran medida. El campo magnético producido por la rotación del núcleo metálico de la Tierra provoca una "líneas de campo" que van de polo a polo.Su forma es como una gota de agua, con la cola apuntando opuesta al sol. Esta forma se da a causa de un flujo continuo de partículas cargadas procedentes del Sol, al cual se le denomina viento solar.

El Campo Geomagnético (GMF) tiene mucha relevancia en la dinámica de la ionosfera. Sin la protección de nuestro campo geomagnético, la ionosfera y la superficie del planeta estarían sometidas a un bombardeo constante de partículas cargadas, y la formación de la ionosfera sería muy pobre a causa de esos bombardeos. Si no tubieramos un Campo Geomagnético que nos mantuviera la ionosfera "en posición", las comunicaciones a larga distancia no serían posibles ya que las ondas se reflejarían sin ningún orden. El Campo geomagnético es más débil cerca de las regiones polares y más fuerte cerca de las regiones ecuatoriales.

Propagación por Refracción

Es el cambio en la dirección de la propagación de un movimiento ondulatorio, como las señales radioeléctricas, debido al paso de la onda desde un medio a otro de distinto índice de refracción.En la imagen puede verse como la señal radioeléctricas es refractada (doblada) en las capas

inferiores de la ionosfera. Este fenómeno se debe al estado ionizado (cada vez mayor a mayor altura) de esta zona de la atmósfera. Cabe citar aquí que con este tipo de propagación, cuando se dan las condiciones ideales, es posible captar emisiones muy lejanas, imposibles de recibir por una propagación directa.

¿CÓMO VIAJAN LAS ONDAS DE HF EN LARGAS DISTANCIAS?

Una señal de HF transmitida desde la tierra puede viajar a través de la ionosfera y posteriormente retorna hacia el suelo. Esto ocurre debido a la interacción entre la señal de HF y las partículas cargadas eléctricamente de la ionosfera.

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Entonces la señal puede volver a rebotar desde el suelo hasta la ionosfera y luego volver refractarse hacia el suelo y así sucesivamente varias veces.La señal de HF viajará a mayor o menor distancia dependiendo de la frecuencia, la potencia de transmisión y el ángulo (A) con el que rebote la onda en el suelo y en la ionosfera.

Otro factor es que cuando la onda rebota en el suelo, éste absorbe parte de ella mientras que si lo hace en agua salada, es decir en el mar, es reflejada en su totalidad. Por esta razón las estaciones situadas cerca de la costa tienen a veces mejores condiciones que las de interior.Para una determinada distancia y hora habrá un rango de frecuencias de HF que será más apto para las comunicaciones; las frecuencias fuera de ese rango funcionarán pobremente o simplemente no funcionarán.

Propagación por Difracción

Es el fenómeno característico de las propiedades ondulatorias de la materia, por lo cual un obstáculo que se opone a la propagación libre de las ondas se presenta como una fuente secundaria que emite ondas derivadas en todas las direcciones. Gracias a este fenómeno las ondas rodean al obstáculo y consiguen salvarlo.

En la ilustración puede verse como, gracias al fenómeno de la difracción, la señal radioeléctrica procedente de la antena emisora sigue la ladera de las montañas y colinas, y consigue alcanzar a la antena receptora.

Cuando entre el emisor y el receptor se encuentra una montaña o cordillera, puede ocurrir que las ondas modifiquen su trayectoria debido a la naturaleza del terreno (temperatura, humedad, etc) consiguiéndose incluso, niveles de ganancia, en lugar de atenuaciones.

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Propagación por reflexión

Se entiende por reflexión el cambio en la dirección de propagación de un fenómeno ondulatorio, como son las ondas radioeléctricas, cuando inciden sobre una superficie reflectante.En las siguientes ilustraciones puede verse como a una antena receptora le llega una señal radioeléctrica reflejada por un obstáculo, por ejemplo, un edificio de gran altura. Este tipo de propagación no es muy deseable, ya que a la antena receptora pueden llegarle, además de la señal directa, varias señales reflejadas procedentes de uno o varios puntos, con lo cual llegan al receptor dos o más señales iguales y desfasadas en el tiempo, puesto que las trayectorias de las reflejadas son más largas, produciendo las conocidas y molestas "imágenes fantasma" o dobles imágenes.

Para evitar esto, deben utilizarse antenas receptoras de gran directividad, correctamente situadas con relación al emisor.

Interferencia de dos ondas de radio.

Es necesario distinguir entre la interferencia causada por dos señales independientes, con frecuencias muy cercanas, y la interferencia producida cuando la onda directa irradiada por un emisor se recibe al mismo tiempo que una onda reflejada. En este último caso, los tiempos de recorrido de las dos ondas son diferentes y las dos señales recibidas están defasadas. Pueden entonces presentarse varios casos:

defasaje igual a un múltiplo del período: las señales están en fase y se refuerzan mutuamente. Sus amplitudes se añaden.

defasaje de un múltiplo de un semi-período: las señales están en oposición de fase y la amplitud de la más débil se deduce de más fuerte. Si las dos señales tienen la misma amplitud, el nivel de la señal resultante es nulo.

defasaje cualquiera: la amplitud de la señal que resulta es intermedia entre estos dos valores extremos. Los fenómenos de interferencias pueden ser muy molestos cuando el tiempo de recorrido de la onda indirecta varía (ej: reflejo en un avión): la amplitud de la señal recibida varía entonces a un ritmo más o menos rápido. El fenómeno de interferencia se utiliza en aplicaciones que cubren numerosos ámbitos: medida de velocidad (Efecto Doppler), radiogoniometría...

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Propagación directa

En ella la onda emitida por la antena emisora alcanza la antena receptora en línea recta y sin desviación alguna. Es la propagación que más nos interesa.

En la propagación directa, la onda no toca el terreno ni la ionosfera. La atenuación es mínima, siendo únicamente la que se produce por el espacio abierto o por los agentes meteorológicos (lluvia, nieve, etc) Es la propagación típica de frecuencias superiores a 30MHz (VHF-UHF-SHF).

Un claro ejemplo lo tenemos en los emisores de radiodifusión FM y TV, en los que para conseguir máximas distancias es imprescindible tener la antena emisora lo más alta posible (o ubicaciones de repetidores o reemisores en cotas altas del terreno).

Otro ejemplo lo tenemos en los radio enlaces de microondas (SHF o frecuencias >3GHz) en los que es imprescindible que haya visión directa para establecerse la comunicación.

Atenuación (Ley del cuadrado inverso)

La atenuación es descripta matemáticamente por la ley del cuadrado inverso que describe como es que se reduce la densidad de potencia con la distancia a la fuente.

La ley del cuadrado inverso nos dice que entre más lejano va el frente de onda de la antena transmisora, la densidad de potencia es más pequeña y que esta disminuye inversamente proporcional al cuadrado de la distancia de la fuente.

El campo electromagnético continúa y se dispersa a medida que el frente de onda se aleja de la fuente, lo que hace que las ondas electromagnéticas se alejen cada vez más entre si. En consecuencia, la cantidad de ondas por unidad de área es menor.

Att (dB) = 20 x log D + 20 x log F + 32,5

Siendo: Att = Atenuación D = Kms F = Mhz

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Zona de Fresnel

Tanto en óptica como en comunicaciones por radio o inalámbricas, la zona de Fresnel es una zona de despeje adicional que hay que tener en consideración además de haber una visibilidad

directa entre las dos antenas.

Este factor deriva de la teoría de ondas electromagnéticas respecto de la expansión de las mismas al viajar en el espacio libre. Esta expansión resulta en reflexiones y cambios de fase al pasar sobre un obstáculo. El resultado es un aumento o disminución en el nivel de intensidad de señal recibido. Debiendo considerar la curvatura de la tierra(K), que generalmente puede tomar valores de K=2/3 (peor caso) y K=4/3(caso óptimo)

En óptica y en las comunicaciones por radio, una zona de Fresnel, es uno de los elipsoides de revolución concéntricos teóricamente infinitos que definen volúmenes en el patrón de radiación de la abertura circular (generalmente). Fresnel divide el resultado en zonas de difracción por la abertura circular.

La obstrucción máxima permisible para considerar que no hay obstrucción es el 40% de la primera zona de Fresnel. La obstrucción máxima recomendada es el 20%.

Para el caso de radiocomunicaciones depende del valor de K (curvatura de la tierra) considerando que para un K=4/3 la primera zona de fresnel debe estar despejada al 100% mientras que para un estudio con K=2/3 se debe tener despejado el 60% de la primera zona de Fresnel.

Para establecer las zonas de Fresnel, primero debemos determinar la línea de vista de RF, que en términos simples es una línea recta entre la antena transmisora y la receptora.

Ahora la zona que rodea la línea de vista de RF, es la zona de Fresnel. El radio de la sección transversal de la primera zona de Fresnel tiene su máximo en el centro del enlace. En este punto, el radio r se puede calcular como sigue:

* r = radio en metros* D = distancia total del enlace en kilómetros* f = frecuencia del enlace en gigahertz (por ej: 2.4, 5.8Ghz, etc.

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