revista en corto circuito8

INDICE Contenidos Página Del editor al lector…………………………………………………….…… 3

PACs vs PLCs……………………………………………………….…….. 4

Historia del hardware programable e introducción a los Dispositivos

Lógicos Programables PLD……….…………………………………......... 10

Acceso múltiple por división de código (CDMA)………………………… 15

SuperNEC, una herramienta para el diseñador de antenas……….……….. 32

Reloj digital preiniciable y conteo ascendente y descendente…………..… 36

El software de los nuevos LEGO® MINDSTORMS™ será LabVIEW….. 39

Tips Texas Instrument……………..……………………………….….…... 41

Ciclo de conferencias…………………………………………………….… 43

Biografías: inventores del Transistor……………………………….……… 46

Primera ingeniera de la Escuela de Electrónica y Telecomunicaciones….... 47

Revista de la Escuela de Electrónica y Telecomunicaciones

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DEL EDITOR AL LECTOR

Bien, amigos de EN CORTO CIRCUITO,

nos encontramos una vez más en las páginas de nuestra revista, para compartir información sobre el mundo de la electrónica y las telecomunicación. Como es nuestra costumbre, seguimos pensando en entregarles material de primera y nuevos proyectos. Por tal motivo, editamos artículos sobre PACs y PLCs, Dispositivos Lógicos Programables (PLD), tecnología CDMA. Comenzamos una nueva sección dedicada a la programación de calculadoras TI, exploramos los benéficos de una ayuda en el diseño de antenas: el SuperNec, entre otros artículos más. Asimismo, nuestra acostumbrada sección de biografías, informaciones y sociales. De esta forma, seguimos pensando en ustedes para que EN CORTO CIRCUITO llegue a ser la revista líder de la electrónica y telecomunicaciones de nuestro país y un referente a nivel latinoamericano. _____________________Diego Barragán Guerrero

EN CORTO CIRCUITO

No. 8 Abril 2006

Director

Ing. Jorge Luis Jaramillo

Editor Diego O. Barragán G.

Revisores Técnicos Ing. Marco Morocho Ing. Marcelo Dávila

EN CORTO CIRCUITO es una

publicación bimestral de la Escuela de Electrónica y

Telecomunicaciones de la Universidad Técnica Particular de

Loja

[email protected]


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PACs vs PLCs

Por: Israel Darío Carrión Granda Profesional en formación 8vo ciclo

RESUMEN

En este documento se tratará

básicamente las diferencias entre Controladores de Automatización Programable (PAC) de National Instruments y los Controladores Lógicos Programables (PLC), puesto que tienen muchas similitudes. Y podremos notar el por qué los ingenieros en la industria han reemplazado los PLCs por los PACs distinguiendo sus ventajas. ABSTRACT

In this document we will see the differences among Programmable Automation Controllers of National Instruments and the Programmable Logical Controllers (PLC), since they have many similarities. And we will be able to notice why the engineers in the industry are replacing the PLCs for the PACs distinguishing their advantages. TÉRMINOS CLAVE PAC - Controladores de Automatización Programable PLC - Controlador Lógico Programable FPGA - Field Programmable Gate Array (Arreglo de Compuertas Programables por Campo) INTRODUCCIÓN

En la última década, expertos en la industria y editores predijeron que el control basado en PC finalizaría el régimen de los controladores de lógica programables (PLC) en el control industrial. Predijeron qué características, tales como procesadores de punto flotante (Los controladores de National Instruments, utilizan procesadores de punto flotante. Aunque el procesador de punto

flotante es más costoso, es más adecuado para cálculos análogos. En un procesador de punto flotante, el punto decimal no permanece fijo, se calcula nuevamente en cada operación. Un ejemplo común de punto flotante es la “notación científica” usada en todos los campos de la ciencia y matemáticas. Un procesador de punto flotante determina si el sobreflujo ha ocurrido y ajusta el punto decimal cambiando el exponente. Esto elimina el error de sobreflujo y reduce inexactitudes causadas por redondeos innecesarios), RAM, herramientas de software poderosas, e interfases gráficas harían de la PC la plataforma fundamental de la Automatización Industrial.

Sin embargo, al día de hoy los PLC continúan dominando la mayoría de las fábricas para aplicaciones de control de procesos y máquinas. Aunque muchos ingenieros han evaluado el uso de la PC para funciones avanzadas, como control y simulación análogo, conectividad con base de datos, aplicaciones basadas en web y comunicación con dispositivos externos, la PC no ha podido competir con el PLC para aplicaciones basadas en control.

Las PC estándar, e incluso algunas computadoras industriales, no ofrecen la confiabilidad demandada por las aplicaciones de control de automatización industrial. PCs con sistemas operativos estándar y hardware genérico son muy frágiles y temperamentales como para satisfacer la confiabilidad demandada en control industrial.

Entonces los ingenieros debían de tomar la decisión de contar con un PLC que brinda robustez industrial y confiabilidad o escoger un PC con sus cálculos eficientes y la posibilidad de comunicación analógica. Como resultado,


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muchos ingenieros sacrifican funcionalidad de control avanzado que no obtienen fácilmente con un PLC, o fusionan un sistema que incluye un PLC para control discreto y una PC para funcionalidad avanzada.

En muchas fábricas se ha optado por utilizar sistemas en los que se acoplan los PCs y los PLCs pero se ha comprobado que se encuentran con muchos problemas, desde su misma instalación y el mantenimiento de los mismos.

En la actualidad existe una tercera opción para los ingenieros y la industria, productos que brindan la robustez de un PLC y la funcionalidad de los PC. Estos productos son denominados PACs (Controladores de Automatización Programable) en los que se aprovecha las mejores características de ambas tecnologías incluyendo el procesador, la RAM, y software potente, con la confiabilidad, dureza, y naturaleza distribuida del PLC.

Cuadro de comparación PLC PAC PC Soporta shocks eléctricos y vibración

● ●

Seguridad y estabilidad ● ●

Rangos de temperatura industriales ● ●

Trabajo en tiempo real ● ●

Entradas de fuente de poder redundantes

● ●

Set de drivers completos para Windows

●

Procesador de punto flotante ● ●

Memoria no volátil ● ●

Facilidad en ela programación ● ●

Conectividad a Ethernet vía WEB ● ●

Cuadro 1. Cuadro comparativo entre PC, PLS y PAC.

En el Cuadro 1 se pude compara

las ventajas de un PAC con respecto a las otras tecnologías. PACs DE NATIONAL INSTRUMENTS

El hardware PAC de National Instruments está basado en tecnología NI LabVIEW, incluyendo LabVIEW Real-Time y LabVIEW FPGA. Con LabVIEW Real-Time y LabVIEW FPGA, los ingenieros pueden programar sistemas de control y medición personalizados usando LabVIEW y desplegarlos en objetivos embebidos fiables corriendo en sistemas operativos

en tiempo real o embebidos en silicio (en chips). Los objetivos de hardware PAC están diseñados para aplicaciones que requieren: • Gráficos – LabVIEW proporciona un

panel frontal donde puede crear una interfaz de usuario gráfica con todos los controles e indicadores que una aplicación puede requerir para la interacción con el usuario

• Mediciones (adquisición de datos de alta velocidad, visión y movimiento) – Los PACs tiene la habilidad de procesar y desempeñar medidas complejas. Con esta característica, se


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puede combinar frecuencias, formas de onda, voltajes, corrientes, control de movimiento e incluso, adquisición de imágenes con los sistemas de control. Esto crea un nivel sin precedentes de manipulación y estandarización en términos del tipo de señales que pueden manipularse y procesarse. LabVIEW ofrece cientos de funciones para procesar, analizar y extraer información de estas señales.

• Capacidades de Procesamiento – En algunas aplicaciones, se requiere algoritmos especializados de control, procesamiento avanzado de señales o registro de datos. LabVIEW proporciona todos los bloques básicos computacionales, incluyendo la adición, sustracción, multiplicación, división, lógica Booleana, álgebra lineal, cálculo, y operaciones de arreglos, así como más de 450 funciones de análisis de mayor nivel, como el escalamiento, filtración, estadísticos, transformaciones, detección de picos, tablas de referencia, generación de señales, y algoritmos de procesamiento de imágenes. Con esta combinación se puede construir rápidamente una aplicación usando funciones incluidas e implementando fácilmente los cálculos más comunes

• Plataformas – Al estandarizarse con LabVIEW como ambiente de desarrollo, no solamente se aprovecha las ventajas de las características gráficas. Se puede crear y desplegar aplicaciones en plataformas múltiples yendo desde PocketPC y Palms, a PCs y sistemas PXI ejecutándose en sistemas operativos en tiempo real. LabVIEW puede incluso compilar códigos gráficos a los FPGAs (por sus siglas en inglés, Field Programmable Gate Array), los cuales son circuitos integrados en su

totalidad para aplicaciones que requieren iteraciones de control de alta velocidad que puede lograrse solamente a través de hardware a la medida.

• Comunicaciones – Es posible conectarse a aplicaciones empresariales y almacenar datos en bases de datos o redes corporativas ODBC/SQL activadas. Además, puede utilizar OPC para integrarse y comunicarse con sistemas de software y hardware de terceros.

National Instruments ofrece cuatro tipos de hardware PAC:

Figura 1. Compact FieldPoint. Compact FielPoint - Un ejemplo de

PAC es la combinación del Compact FieldPoint de National Instruments y el software de NI LabVIEW. En conjunto, estos productos ofrecen una plataforma de control industrial fusionado diseñado con la flexibilidad de una PC y la confiabilidad del PLC. La flexibilidad de la PC como lo es el procesador de punto flotante para cálculos personalizados, un servidor web interactivo para control y monitoreo fácil, Compact Flash removible para acceso de datos, y múltiples puertos seriales para comunicación con dispositivos externos, proveen características y funciones imposibles de implementar en un PLC. Para complementar las capacidades análogas del controlador la plataforma también incluye gran exactitud en módulos análogos de entradas/salidas con resolución de 16 bit y


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acondicionamiento de señales para exactitud y precisión en mediciones y control análogos. El Compact FieldPoint complementa esta funcionalidad típica de una PC con el empaquetado del PLC el cual proporciona un nivel de calidad y de compatibilidad electromagnética CE industrial pesada para ambientes eléctricamente ruidosos, un rango de temperatura de –25 a 60°C, lecturas de choque de 50 g y niveles de vibración de 5 g para ambientes móviles y con vibración.

Usando LabVIEW con Compact FieldPoint, es posible ejecutar códigos a la medida desarrollados en herramientas de modelación y simulación populares, como el MATRIXx de National Instruments o Simulink de The MathWorks

Figura 2. PXI.

PXI - es un producto industrial múltiple y estándar basado en arquitectura CompactPCI. PXI es ideal para aplicaciones medianas o largas porque proporciona una plataforma modular basada en PC tanto para módulos plug-in PXI y CompactPCI de National Instruments y terceros. PXI ofrece el más amplio rango de E/S (Entradas/Salidas), incluyendo entradas análogas aisladas de 1000 V, E/S digitales de alta densidad, dispositivos de adquisición de imagen análoga y digital para visión y movimiento coordinado para múltiples canales.

PXI es fácil de usar, con soporte tanto para Windows como para aplicaciones en tiempo real. Para

aplicaciones industriales, PXI ofrece temperaturas de operación extendidas (0 a 55 ºC), enfriamiento definido y requerimientos de potencia (25 W por slot), así como especificaciones de vibración. El enfriamiento definido y especificaciones de potencia aseguran que la plataforma PXI soporte un amplio rango de E/S modulares. PXI es una plataforma robusta con sincronización del plano trasero integrado para aplicaciones como visión, control de movimiento guiado y mediciones de fase en sincronía de altos canales.

Figura 3. Compact Vision System.

Compact Vision – Permite crear aplicaciones de visión de máquina y control sencillas. El Sistema Compact Vision de NI extiende el poder de LabVIEW Real-Time de NI a un paquete de visión de máquina robusto que tolera ambientes hostiles comunes en la inspección industrial.

Utilizando la tecnología IEEE 1394 (FireWire), el Sistema Compact Vision funciona con más de 100 cámaras industriales que encajan en un amplio rango de costo, funcionalidad y desempeño. Con tres puertos IEEE 1394 (FireWire), puede hacer inspecciones con 16 cámaras a la vez. Además, el Sistema Compact Vision ofrece E/Ss de FPGA reconfigurable para un control digital adjustable de alta velocidad o bien, un control de motor con más ramas.


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Figura 4. CompactRIO.

CompactRIO - El Controlador de Automatización Programable (PAC) CompactRIO de National Instruments combina tecnologías en tiempo real con FPGA para proporcionar alto desempeño en una plataforma pequeña de control y adquisición industrial rugosa. Esta arquitectura de bajo costo combina FPGA con E/S reconfigurable para proporcionar confiabilidad de hardware enfocado a circuitos y el desempeño de ejecución en paralelo en chips; un procesador en tiempo real incluido para operación determinística distribuida y sola con una interfase basada en Web y módulos de E/S digitales y análogos intercambiables para conectarse directamente a sensores y actuadores industriales. Y como los otros PACs antes indicados al utilizar LabVIEW para su programación podemos crear aplicaciones industriales como control de máquinas, monitoreo de vibraciones, control y adquisición distribuida. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Los PLCs son ideales para

automatizar plantas en su totalidad, a nivel fábrica, célula y proceso. Sin embargo, a nivel sensor/actuador e incluso a nivel proceso, hay medidas y algoritmos complejos que requieren ejecutarse en conjunto con el resto de la planta. Para estas aplicaciones, los PACs están mejor equipados debido a su configuración y manipulación flexible, así como el amplio rango de

medidas que pueden desempeñar, incluyendo el control de movimientos.

Para controles de proceso continuos como el control de vacío, control de flujo, nivel, iteración de temperatura, y diversas funciones discretas como control de encendido y apagado de válvulas, el procesador avanzado en controladores PAC proporcionan la potencia de procesamiento necesario.

Al combinar la flexibilidad de LabVIEW y el procesamiento de potencia y facilidad de uso de los PAC, se puede desarrollar fácilmente sistemas de control completos en sólo una fracción del tiempo que le lleva hacerlo con herramientas tradicionales. Preguntas para seleccionar un controlador programable

Antes de seleccionar un controlador programable debemos hacernos algunas preguntas para tomar la mejor decisión.

Preguntas para elegir un Controlador Programable

1. ¿Mi controlador tiene un diseño de arquitectura abierta para realizar especificaciones?

2. ¿Mi controlador cuenta con especificaciones adecuadas de choque, vibración y temperatura?

3. ¿Tengo la flexibilidad para elegir el esquema de control ideal?

4. ¿Mi plataforma de automatización incluye exactitud en E/S análogas?

5. ¿Requiero realizar cálculos avanzados o estándar que requieren del procesador de punto flotante?

6. ¿Mis herramientas de software del sistema de automatización son fáciles de usar y productivas?


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7. ¿Puedo interactuar con mi controlador por medio de Web?

8. ¿Mi controlador desempeñará comunicación regular con dispositivos externos?

9. ¿Mi controlador puede accesar datos de manera confiable?

10. ¿Otras partes de mi sistema, como movimiento, visión, prueba y SCADA, pueden usar el mismo software que mi controlador?

Recomendaciones

Es crucial que su controlador proporcione el tipo de procesador apropiado. Los procesadores de punto fijo o punto flotante son los dos procesadores más comunes encontrados en controladores programables, asegúrese de tomar la mejor decisión al elegir uno de ellos porque puede afectar el funcionamiento de su aplicación, o la velocidad de procesamiento dentro de la misma. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Una comparación entre PACs y PLCs Disponible en la URL: http://digital.ni.com/worldwide/latam.nsf/web/all/b4cc38e8cec01d4f8625706e007c0c5f? Construyendo un Mejor Controlador Disponible en la URL: http://digital.ni.com/worldwide/latam.nsf/web/all/fb56f4e9485272c886256fb6004bbdce? PAC Combina la Robustez del PLC y la Funcionalidad de la PC Disponible en la URL: http://digital.ni.com/worldwide/latam.nsf/web/all/76C961A71F0EC74086256E2B0074D975

Hardware PAC - PCs Industriales Disponible en la URL: http://www.ni.com/pac/esa/industrial_pc.htm Israel Darío Carrión Granda Grupo de Electricidad y Sistemas Electrónicos Universidad Técnica Particular de Loja 1101608, Loja, Ecuador [email protected]


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HISTORIA DEL HARDWARE PROGRAMABLE E INTRODUCCIÓN A LOS DISPOSITIVOS LÓGICOS

PROGRAMABLES PLD Por: Johanna Ruque Chamba David Ruiz Cabrera Profesionales en formación 8vo ciclo ABSTRACTO

En el presente paper se describen las arquitecturas básicas de los dispositivos lógicos programables desde sus principios, haciendo una reseña de las lógicas de primera generación hasta las lógicas de última generación, esto nos permitirá comprender, de la manera más sencilla, los conceptos de PLDs y sus distintas clasificaciones: SPLDs, CPLDs, FPGAs. INTRODUCCIÓN

Aunque raras veces se reconozca, la invención del transistor en los laboratorios de Bell Telephone en los años cincuenta provocó una doble revolución en la electrónica. Una, la más popular, se manifiesta en la progresiva miniaturización. Su impulso fundamental vino al final de esa década, cuando Rohert N. Noyce y Jack Kilby por separado crearon el circuito integrado, que incorporaba múltiples transistores en una sola pastilla constituida por capas de material semiconductor, permitiendo la construcción de circuitos electrónicos complejos, como los de los microordenadores o microcomputadoras, equipos de sonido y vídeo, y satélites de comunicaciones.

Los bloques elementales de un dispositivo lógico se denominan puertas lógicas digitales, que llevan en su interior, miles de transistores y elementos semiconductores.

A partir de las puertas elementales se pueden construir circuitos lógicos más complicados, entre los que cabe mencionar los circuitos biestables, contadores, comparadores, sumadores, y combinaciones más complejas. En general, para ejecutar una determinada función es necesario conectar grandes cantidades de elementos lógicos en circuitos complejos.

Desde finales de la década de los sesenta, los equipos electrónicos digitales se han construido utilizando circuitos integrados de función lógica fija, realizados en pequeña o mediana escala de integración. Para las realizaciones muy complejas que exigirían un número elevado de circuitos integrados (CI) de función fija, se utilizan circuitos diseñados a medida que sólo sirven para una aplicación. Son los llamados CI específicos a una aplicación o ASIC (Application Specific Integrated Circuit). Por regla general, los ASICs los producen los fabricantes de CI con las especificaciones proporcionadas por el usuario.

Los equipos realizados con ASICs ocupan menos espacio, son más fiables, consumen menos energía y en grandes series resultan más baratos que los equipos equivalentes realizados con CI de función fija. Por otro lado, estos circuitos son muy difíciles de copiar.

Los PLDs (Programmable Logic Devices) son pequeñas ASICs configurables por el usuario capaces de realizar una determinada función lógica.


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La mayoría de los PLD consisten en una matriz de puertas AND seguida de otra matriz de puertas OR. Mediante esta estructura, puede realizarse cualquier función como suma de términos productos.

Estos dispositivos hoy en día están presentes en la mayoría de los desarrollos debido a las ventajas que los mismos presentan frente a la lógica convencional, lo cual lleva a una gran variedad de aplicaciones.

El Incremento de popularidad y de utilización de los dispositivos lógicos programables o PLDs está siguiendo un proceso solamente comparable al que hace algunos años acompañó a los microprocesadores. Los PLDs se utilizan en casi todos los nuevos equipos electrónicos de control, industriales, de consumo, de oficina, de comunicaciones, etc.

DESCRIPCIÓN

PLDs: Conjunto de circuitos integrados formados por cierto número de puertas lógicas y/o módulos básicos cuyas conexiones pueden ser personalizadas o programadas, bien sea por el fabricante o por el usuario (Figura 1). VENTAJAS:

La gran ventaja de estos dispositivos reside en que los fabricantes pueden realizar grandes cantidades de estos CI lo que abarata sus costos de producción y los usuarios posteriormente pueden personalizar sus diseños en sus propios laboratorios sin grandes inversiones.

• Consumo medio, aunque hay familias especializadas en bajo consumo

• Velocidad intermedia • Fiabilidad alta

• Tiempo de desarrollo muy bajo. • Metodología sencilla • Equipamiento sencillo • Aumentan la confidencialidad

de las placas

Figura 1. Clasificación de los PLDs.

Los dispositivos PROM, PAL, PLA están formados por arreglos o matrices que pueden ser fijos o programables, mientras que los CPLD se encuentran estructurados mediante bloques lógicos configurables. Un bloque lógico es similar a un PLD, cada uno posee un arreglo de compuertas AND y OR en forma de suma de productos, una configuración para la distribución de estas sumas de productos, y macroceldas. ESCALA DE INTEGRACIÓN Dispositivo Estructura Compuertas PAL, PLDs

Suma de producto de entradas y salidas realimentados

200 – 1000

CPLDs Varias PALs interconectadas entre sí

1k – 10k

FPGAs Bloques lógicos configurables con rutas de interconexiones no prefijadas

10k – 10M

DISPOSITIVOS LÓGICOS PROGRAMABLES SIMPLES (SPLD)

La mayoría de los SPLD (Figura 2) están formados por matrices de conexiones: una matriz de compuertas

PLDs

SPLDs CPLDs

PROMs PALs PLAs GALs

FPGAs


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AND, y una matriz de compuertas OR y algunos, además, con registros. Con estos recursos se implementan las funciones lógicas mediante un software especial y un programador.

Figura 2. SPLDs.

Las matrices pueden ser fijas o programables de lo cual se deriva la siguiente clasificación: PROM (Programable Read Only Memory): son utilizados como elementos de memoria y tienen un arreglo fijo de compuertas AND (conocido como decodificador) seguido por un arreglo programable OR. PLA (Programmable Logic Array): Estos circuitos tienen ambos arreglos, AND y OR, programables, lo cual permite gran flexibilidad en el diseño de funciones lógicas complejas y con gran cantidad de entradas/salidas. PAL (Programmable Array Logic): Estos dispositivos tienen un arreglo AND programable seguido de un arreglo fijo OR. GAL (Generic Array Logic): Estos chips están fabricados en base a tecnología CMOS, por lo que consumen mucho menos potencia y su principal ventaja es que son eléctricamente reprogramables. Además, sus salidas pueden también ser configuradas por el usuario. AND OR PLA Programables Programables PAL, GAL

Programables Fijas

PROM Fijas Programables

DISPOSITIVOS LÓGICOS PROGRAMABLES COMPLEJOS (CPLD )

Una mejora a partir de los PAL y PLA’s viene con la introducción de los dispositivos lógicos programables complejos (CPLD), los que permiten circuitos lógicos de mayor complejidad (Figura 3).

Figura 3. Arquitectura Básica de un

CPLD. Este circuito extiende el

concepto de un PLD a un nivel de integración superior; esto es, se dispone de mayor número de compuertas y de entradas/salidas, cada CPLD contiene bloques lógicos, cada uno de ellos similar a una estructura PAL o GAL. Estos bloques lógicos se comunican entre sí utilizando una matriz programable de interconexiones la cual hace más eficiente el uso del silicio, conduciendo a un mayor desempeño y a un mayor costo. MATRIZ DE PUERTAS PROGRAMABLE POR UN USUARIO EN EL 'CAMPO' DE UNA APLICACIÓN (FPGA)

Un FPGA (Figura 4) consiste en arreglos de varios bloques programables (bloques lógicos) los cuales están


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interconectados entre si y con celdas de entrada/salida mediante canales de conexión verticales y horizontales, tal como se muestra en la figura.

Figura 4. Arquitectura Básica de un FPGA.

Internamente una FPGA es una

serie de pequeños dispositivos lógicos, que algunos fabricantes llaman Bloques Lógicos de Control (CLB), organizados por filas y columnas.

Los elementos programables de una FPGA son:

• Los bloques lógicos (CLBs) • Los bloques de entrada/salida

(IOB) • Las interconexiones

BLOQUES LÓGICOS

Un bloque lógico es similar a un PLD, cada uno pose un arreglo de compuertas AND y OR en forma de suma de productos, una configuración para la distribución de estas sumas de productos, y macroceldas. El tamaño del bloque lógico es una medida de la capacidad del CPLD, ya que de esto depende el tamaño de la función booleana que pueda ser implementada dentro del bloque. Los bloques lógicos usualmente tienen de 4 a 20 macroceldas.

El bloque lógico consta de una parte combinacional, que permite

implementar funciones booleanas, más una parte secuencial que permite sincronizar la salida con una señal de reloj externa e implementar registros.

• Bloque lógico basado en LUT (look-up table): Una LUT es una componente de de memoria SRAM que almacena una tabla de verdad

• Bloque lógico basado en multiplexores: El bloque lógico basado en multiplexores, se caracteriza porque requiere de mucha menos lógica que el anterior basado en la LUT

BLOQUES DE ENTRADA/SALIDA

Al igual que las CPLD’s, la función de un bloque de entrada/salida es permitir el paso de una señal hacia adentro o hacia el exterior del dispositivo. Además debe contar con recursos tales como:

• Salidas configurables como TRI-STATE u open-collector.

• Entradas con posibilidad de pull-up o pull-down programables.

• Registros de salida. • Registros de entrada.

INTERCONEXIONES

Las Interconexiones Programables permiten unir los pines de entrada/salida a las entradas del bloque lógico, o las salidas del bloque lógico a las entradas de otro bloque lógico o inclusive a las entradas del mismo bloque; con una estructura de interconexión continua. Puede haber líneas de distintas velocidades

Conclusiones:

Como principal conclusión en el uso de estos dispositivos se logra mayor


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confiabilidad en el diseño, reducción en el tamaño del equipo con la consiguiente reducción de costos y además una importante reducción en el tiempo de desarrollo. Trabajos Futuros:

Simulación e implementación de MODULADORES: ook, fsk y bpsk, en la tarjeta Spartan3 de la empresa Xilinx, en base a la Herramienta Simulink de Matlab con el System Generador de la misma empresa. Trabajo a presentarse en el concurso “Avanzando” organizado la Rama Estudiantil IEEE en Loja. Referencias: www.xilinx.com DISPOSITIVOS LÓGICOS PROGRAMABLES, CAPII, Torres Valle Francisco INTRODUCCIÓN A LOS DISPOSITIVOS FPGA. ANÁLISIS Y EJEMPLOS DE DISEÑO, Bozich Eduardo Carlos Biografías:

Johanna Ruque Chamba David Ruiz Cabrera Como estudiantes de la carrera

de Electrónica y Telecomunicaciones, nos hemos interesado en el estudio de temas afines a FPGAs, y sus aplicaciones en los campos de la Robótica y las Telecomunicaciones. Actualmente estamos investigando la arquitectura y funcionamiento de la tarjeta Spartan3 donde se van a implementar los trabajos futuros mencionados.


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ACCESO MÚLTIPLE POR DIVISIÓN DE CÓDIGO

(CDMA) Por: Lenin M. Salazar P.

Pablo J. Aguirre A. Profesionales en formación 8vo ciclo 1. INTRODUCCIÓN

El principio básico de funcionamiento de CDMA, para diferenciar a los distintos usuarios, es la utilización de códigos digitales únicos, en lugar de las frecuencias separadas como las usadas en otros sistemas. Los códigos son conocidos tanto por la estación móvil (teléfono celular) como por la estación base, y se llaman "Secuencias de Código Pseudo-Aleatorio". Por lo tanto, todos los usuarios comparten el mismo rango de frecuencias del espectro radioeléctrico. 2. ¿QUÉ ES CDMA? 2.1 TECNOLOGÍA CDMA

El canal de transmisión en los sistemas de comunicaciones móviles es el aire, por ello es necesario arbitrar para que las diferentes comunicaciones puedan compartir este canal de radio. La técnica llamada Acceso Múltiple por División de Código, o simplemente CDMA, permite a los usuarios transmitir con la misma frecuencia y de modo simultaneo en el tiempo.

La separación de los usuarios se hace en base a la asignación individual de un código, de manera que los códigos de diferentes usuarios sean ortogonales entre sí. Cada usuario deberá multiplicar su información a transmitir por su secuencia código asignada. El receptor podrá separar la información de cada usuario haciendo uso del mismo código con el que se transmitió, gracias a la propiedad de

ortogonalidad de los mismos. De este modo todos los usuarios pueden usar todo el ancho de banda disponible todo el tiempo.

CDMA es una tecnología genérica que puede describirse, a groso modo, como un sistema de comunicaciones por radio celular digital que permite que un elevado número de comunicaciones de voz o datos simultánea compartan el mismo medio de comunicación, es decir, utilizan simultáneamente un pool común de canales de radio, de forma que cada usuario puede tener acceso a cualquier canal de forma temporal.

Por otro lado, las señales CDMA transmitidas se ensanchan en espectro en un factor llamado ganancia de procesado. Este factor es el que en recepción redunda en una mejora de la calidad de la señal cuando se realiza el proceso de demodulación, en cuanto a relación señal ruido.

Una característica de los sistemas CDMA es que tienen la llamada capacidad progresiva o soft-capacity. Esta propiedad indica que el hecho de añadir nuevos usuarios al sistema es siempre posible, a costa de degradar la calidad de las conexiones en curso, pero no existe un límite fijo absoluto al numero de usuarios que pueden transmitir de modo simultaneo.

CDMA se fundamenta en la técnica de espectro esparcido/disperso (Spread Spectrum), una técnica que se ha estado utilizando habitualmente en el sector de defensa como medio para eliminar interferencias (anti-jamming) o para encriptación. De hecho, CDMA


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fue propuesto como esquema teórico, a modo de spinn-off del ámbito militar, a finales de la década de los 40, pero su aplicación práctica en el sector comercial tuvo lugar unos 40 años más tarde. Esta técnica se basa en esparcir el espectro de frecuencias de una señal en un ancho de banda mayor que el mínimo necesario para la transmisión a lo largo de toda la transmisión, es decir, las frecuencias que componen la señal viajan esparcidas a lo largo de todo el enlace con lo cual se consigue camuflar la señal. Al llegar al receptor, la señal se recompone, es decir, las frecuencias se “juntan otra vez” para obtener la señal inicial que ha partido del emisor. De esta forma, se pueden obtener una serie de enlaces que utilizan la misma banda de frecuencia simultáneamente sin que se produzcan interferencias. La técnica de Spread Spectrum presenta dos modalidades: frequency hopping (FH) o salto de frecuencia y Direct Sequence (DS) o secuencia directa. El salto de frecuencia se puede describir en términos de que la señal se esparce transmitiendo una ráfaga corta en una frecuencia para, a continuación, saltar a otra frecuencia emitiendo otra ráfaga corta y así sucesivamente. La Secuencia directa se puede describir en términos de que utiliza una secuencia de códigos de alta velocidad conjuntamente con la información básica que se quiere transmitir: esta secuencia se utiliza directamente para modular la portadora de radiofrecuencia (de ahí el nombre de Direct Sequence). En este esquema de secuencia directa a cada símbolo (grupo de bits) se lo multiplica por un código de esparcimiento/spreading llamado secuencia de chip de forma que la banda de frecuencias de la señal se aumenta. 3. Principios básicos de CDMA

Para poder compartir un cierto canal de comunicaciones entre diferentes usuarios, es necesario poder separar de algún modo las transmisiones

de cada uno de ellos. En términos matemáticos, para poder separar dos señales de información es necesario que exista ortogonalidad entre las citadas señales. Se dice que dos señales u(t) y v(t) son ortogonales cuando se cumple que:

En el caso de señales separadas en tiempo o en frecuencia, la propiedad se cumple de manera evidente. Sin embargo, en las transmisiones CDMA, puesto que las señales de información comparten tiempo y frecuencia, la ortogonalidad se obtiene a base de multiplicarlas por unas ciertas secuencias, llamadas secuencias código, que confieran a las señales resultantes esta propiedad. Normalmente, el ancho de banda de las secuencias utilizadas es muy superior al de la señal de datos, con lo que produce un ensanchamiento espectral. Al este método de codificar las señales se le conoce como DS-CDMA (Direct Secuense CDMA).

La modulación utilizada normalmente en los sistemas DS-CDMA es la PSK. Dada una señal de información digital x(t) con período de bit igual a Tb, al multiplicarla por una secuencia código c(t) y modularla en PSK binaria, la señal que se obtiene es de la forma:

donde P es la potencia transmitida y f0 la frecuencia portadora. La figura 1 muestra el diagrama de bloques de la generación de la señal a transmitir

Figura 1. Generación de la señal a

transmitir.


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Por otro lado, si la secuencia código es una señal digital, a los bits de esta señal se les suele denotar por chips, cuyo período es Tc. Normalmente se cumple que Tc<Tb y por tanto el ancho de banda de la señal s(t) se incrementa respecto al de x(t) en un factor llamado ganancia de procesado, o simplemente Gp, que se define por: La figura 2 muestra un ejemplo de las señales que se generan en una transmisión CDMA usando una modulación BPSK y un pulso conformador rectangular sin retorno a cero.

Figura 2. Señales que se generan en

una transmisión CDMA.

Podemos observar en la figura 3 el ensanchamiento espectral que se produce entre la señal de información x(t) y la señal que se transmite por el canal s(t). La relación entre un ancho de banda y otro se llama factor de ensanchamiento espectral que se corresponde con la ganancia de procesado.

Figura 3. Ensanchamiento espectral.

Para recuperar las señales

originales, el receptor debe multiplicar

la señal recibida de nuevo por la misma secuencia código utilizada en transmisión y sumar la señal resultante en un período de bit. La figura 4 muestra el esquema básico que debe aplicarse.

Figura 4. Receptor.

En principio, si la ortogonalidad de las secuencias código es perfecta, el receptor es capaz de separar sin ningún error cada una de las señales transmitidas. En la práctica, bien porque los códigos no son totalmente ortogonales, bien porque la respuesta del canal es diferente para las señales de cada usuario, cada una de ellas interfiere al resto en alguna medida. Este grado de interferencia puede estimarse del siguiente modo:

El receptor CDMA concentra el espectro de la señal recibida s(t) en un ancho de banda 1/Tb. Para la parte correspondiente a la señal interferente, puesto que el código no corresponde con la señal transmitida, el espectro no se concentrará y seguirá repartido en un ancho de banda 1/Tc. Por tanto, si inicialmente las dos señales se recibían con la misma potencia, ahora la señal interferente afecta únicamente en el nuevo ancho de banda, de manera que se cumple que la relación señal a interferente es:

Es decir, el ensanchamiento en frecuencia protege de las interferencias


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en un grado que depende directamente de la ganancia de procesado.

Si tenemos en cuenta los aspectos físicos de aplicación práctica de un sistema CDMA, como el modelo de propagación del canal, aparecen algunos aspectos que deben estudiarse con más detenimiento. Entre estos elementos, cabe destacar:

• Una señal CDMA será normalmente una señal de banda ancha. En canales de propagación tipo canal móvil, el ancho de banda de coherencia del canal suele ser menor que el de la señal transmitida. Por tanto, no todas las componentes de la señal observarán la misma respuesta del canal (canal selectivo en frecuencia). Este hecho, sin embargo, puede aprovecharse para mejorar la calidad de la transmisión, gracias a que se podrán discriminar los diferentes caminos de propagación. Existe un modelo de receptor, llamado RAKE, que saca partido de este aspecto del sistema.

• La elección de las secuencias

código que se asignan a cada usuario puede afectar sustancialmente a la calidad del sistema de transmisión. Es por tanto necesario estudiar con detenimiento el tipo y las características de dichos códigos.

• Un elemento clave en la

recuperación de las señales de información es el sincronismo del sistema. La copia local de la secuencia código debe estar perfectamente alineada, con la precisión de un período de chip, con la secuencia que se usó en transmisión. Dado que el

período de chip suele ser un intervalo relativamente pequeño, esta sincronización puede resultar tecnológicamente difícil en la práctica.

• Otro elemento crucial de los

sistemas CDMA es el control de potencia. Es muy importante, para evitar que se produzca el llamado efecto near-far, que todos los usuarios lleguen en recepción con la misma potencia.

Este efecto se produce cuando la

señal de un usuario que está físicamente más cerca de la estación base llega a ésta con una potencia mucho mayor que los que están más lejos. Este hecho hace que la interferencia que produce un usuario en los demás pueda ser de un nivel tan elevado que evite por completo la detección de las señales correspondientes. Es crítico, por tanto, que todas las señales lleguen con la potencia justa, ni menos ni más que la necesaria para detectar correctamente cada una de ellas interfiriendo lo mínimo al resto de usuarios.

Nos detenemos ahora con más detalle en el análisis de cada uno de estos puntos. 3.1 RECEPTOR RAKE

Cuando el ancho de banda de una señal es mucho menor que el ancho de banda de coherencia del canal por el que es transmitida, todas las componentes de la misma sufren la misma respuesta. En este caso se dice que el canal no es selectivo en frecuencia. En este tipo de canales, suelen utilizarse técnicas de diversidad para evitar que un desvanecimiento profundo pueda cortar temporalmente la transmisión de una señal. Sin embargo, si se dispone de un ancho de banda de transmisión mucho mayor que el ancho


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de banda de coherencia del canal, puede aplicarse una técnica de diversidad en frecuencia, de modo que se transmite la misma información situada en diferentes frecuencias portadoras.

Es posible demostrar que con la técnica de transmisión DS-CDMA, que realiza un ensanchamiento espectral de la señal de información, se pueden obtener los mismos resultados que con la técnica de diversidad en frecuencia. Es decir, podemos aprovechar la selectividad en frecuencia del canal para mejorar las prestaciones de la señal recibida CDMA.

Visto desde el punto de vista temporal, la menor duración del tiempo de señalización (tiempo de chip) permite poder tener mayor resolución para distinguir copias distintas de la misma señal con diferentes retardos de propagación. El receptor más utilizado que aprovecha estas características de la señal para mejorar su calidad es el llamado receptor RAKE.

Pueden encontrarse referencias en la literatura que describen con detalle el diseño del receptor RAKE, que fue propuesto por Price y Green en 1958 y que se comporta básicamente como un combinador óptimo de máxima ganancia, del tipo MRC (Maximal Ratio Combining). En la figura 5 se muestra un esquema simplificado de este receptor

Figura 5. Receptor RAKE.

Básicamente, la idea es que

deben calcularse los coeficientes h(t) y los retardos Ti de manera que el receptor sea capaz de sumar de forma coherente las contribuciones de los n caminos de propagación de la señal. El número de etapas, y por tanto el número de caminos que pueden resolverse, es directamente proporcional al ancho de banda disponible, de manera que cuanto mayor sea éste, mayor será la ganancia que se obtiene del receptor RAKE. 3.2 SECUENCIAS CÓDIGO

Las secuencias código que se usan en los sistemas CDMA deben cumplir los siguientes requisitos:

• Deben tener naturaleza pseudo aleatoria. Esta propiedad asegura que las señales moduladas tengan apariencia de ruido.

• Deben presentar un buen

comportamiento desde el punto de vista de su auto correlación y de la correlación cruzada con otras secuencias.

• Deben ser sencillas de generar.

• Debe existir un número

suficientemente grande de secuencias como para poder asignar a los usuarios las necesarias.

También es necesario observar

el entorno de propagación en el que se usará el sistema CDMA. El canal radio tiene unas características específicas concretas que condicionan también la elección de los códigos. Es esencial por tanto encontrar familias de códigos que permitan separar adecuadamente a los usuarios en los entornos de propagación con canal radio móvil. Ello redunda en nuevas propiedades que deben cumplir los códigos:


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• Dado el conjunto de códigos usados en un sistema, cada uno de ellos debe ser fácilmente distinguible de una versión retardada de sí mismo.

• Cada uno de los códigos debe ser fácilmente distinguible de cualquiera de los otros códigos.

Matemáticamente estas dos

últimas propiedades se traducen en el hecho de que la autocorrelación de todos los códigos debe tener valores muy pequeños, excepto para retardo nulo, y que la correlación cruzada de dos códigos diferentes debe tomar siempre valores pequeños.

Las dos principales familias de secuencias código utilizadas en los sistemas CDMA son las llamadas secuencias m y las secuencias de Gold. 3.4 SECUENCIAS M

Las secuencias m son secuencias generadas por un registro binario de desplazamiento realimentado con una función lineal de su contenido. El término binario se refiere a que el contenido de los elementos del registro son bits. La realimentación se basa en funciones que realizan una suma módulo 2 (función OR-exclusiva). Dado un registro de n etapas, es posible tener 2n estados diferentes del mismo. Puesto que el estado todo ceros no genera ningún cambio a medida que pasa el tiempo, es un estado que se llama degenerado que no se tiene en consideración. Por tanto, un registro de n etapas puede generar una secuencia periódica de período máximo 2n-1. El período real generado, sin embargo, depende de la lógica que se utilice en la realimentación. Esta lógica de realimentación se representa mediante un polinomio de grado n con coeficientes binarios, donde cada

coeficiente distinto de cero denota una rama de realimentación. A este polinomio se le denomina polinomio característico.

Para que un registro genere una secuencia periódica de longitud máxima es necesario que su polinomio característico sea primitivo. Para definir esta propiedad de los polinomios es necesario primero introducir la definición de otro concepto, el polinomio irreducible: Se dice que un polinomio de grado n es irreducible cuando no es divisible por ningún polinomio de grado no nulo menor que n.

Entonces, un polinomio irreducible de grado n con coeficientes binarios es primitivo si y sólo si no divide a ningún polinomio de la forma xm+1 para m<2n-1.

Es matemáticamente posible saber cuántos polinomios de grado n son primitivos, aunque para saber exactamente cuáles son es necesario hacer la comprobación uno por uno.

Si el polinomio característico de un registro de desplazamiento es primitivo, se obtendrá siempre la misma secuencia de salida, independientemente del valor inicial con el que se carguen los biestables (siempre que no sean todo ceros). Esto es así debido a que en la secuencia aparecen todos los 2n-1 posibles estados diferentes.

A continuación se enumeran algunas de las propiedades más importantes que cumplen las secuencias m:

• Cualquiera de las 2n-1 posibles rotaciones cíclicas de la secuencia pueden ser generadas cargando el valor inicial adecuado en el registro de desplazamiento.


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• Toda secuencia m satisface la lógica de recurrencia definida por su polinomio característico.

• En un período completo de

cualquier secuencia m hay exactamente 2n-1 unos y 2n-1-1 ceros.

• Si una secuencia m cualquiera se

suma bit a bit (módulo 2) con cualquier rotación cíclica de ella misma, el resultado es otra rotación cíclica de la misma secuencia m.

• La autocorrelación de las

secuencias m sólo toma dos valores distintos: 2n-1 para desplazamiento nulo, y -1 para cualquier otro desplazamiento.

La función de correlación

cruzada de dos secuencias m depende de las secuencias consideradas. Sin embargo, se puede encontrar experimentalmente que algunas parejas de secuencias tienen correlaciones periódicas con sólo tres valores diferentes, y además estos valores son pequeños en valor absoluto en comparación con los que aparecen en otras correlaciones. Por el interés que estas secuencias pueden tener en los sistemas CDMA, se investigó la manera de obtener de manera sistemática los polinomios característicos que generasen este tipo de secuencias. Se obtuvieron las siguientes conclusiones:

• Para cualquier valor entero n que no es múltiplo de 4, existen parejas de secuencias m de período común 2n-1 para las que la correlación periódica toma solamente tres valores distintos, que son:

• Si n es un número múltiplo de 4,

existen parejas de secuencias m que presentan una correlación periódica que toma sólo 4 valores distintos, cuyo valor absoluto es menor o igual que:

• Cuando n es par, cualquier secuencia m y su copia invertida presentan una correlación periódica con múltiples valores diferentes, pero todos ellos de valor absoluto menor o igual a la misma cota anterior.

Como podemos observar, estas

propiedades aplican únicamente a parejas de secuencias. Sin embargo, en un sistema comercial CDMA son necesarias muchas más secuencias código que tengan unas buenas propiedades de correlación. Desafortunadamente, los intentos de ampliar el número de secuencias m que tienen buenas propiedades conlleva un aumento de los valores mínimos de sus correlaciones cruzadas. Como consecuencia de este comportamiento, aparece la necesidad de obtener secuencias que, aun teniendo peor comportamiento en cuanto a autocorrelación, sean conjuntos mucho más grandes que mantengan buenas propiedades de correlación cruzada. Una de estas familias son las secuencias de Gold. 3.5 SECUENCIAS DE GOLD

Las secuencias de Gold se definen a partir del producto de los polinomios característicos de dos secuencias m. En efecto, sean g(x) y h(x) una pareja preferida de polinomios primitivos de grado n. El registro de desplazamiento definido mediante el polinomio característico resultado del producto g(x)*h(x) generará N+2


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secuencias diferentes de periodo N=2n-1. Esta familia de secuencias se conoce como una familia de códigos Gold.

Los códigos Gold también pueden obtenerse como la suma módulo 2 de dos secuencias m generadas por g(x) y h(x).

Los códigos de Gold presentan una autocorrelación con tres valores diferentes, mientras que sus correlaciones cruzadas tienen las mismas propiedades de las secuencias m. Nótese que estas propiedades las cumplen N=2n-1 secuencias diferentes, con lo que el problema de la cantidad de secuencias disponibles se ve reducido en gran medida. 3.6 SINCRONISMO

El objetivo primordial del sistema de sincronismo es encargarse de alinear la señal recibida con la copia local de la secuencia código que genera el receptor.

Como en cualquier sistema de adquisición de sincronismo, este mecanismo tiene dos fases diferenciadas, el ajuste grueso, o fase de adquisición propiamente dicha, y el ajuste fino o fase de seguimiento.

Se distinguen dos grandes técnicas para la adquisición del sincronismo, la búsqueda serie y la búsqueda en paralelo.

La dificultad en la técnica del sincronismo, radica en la corta duración del periodo de chip de las secuencias de código. En un sistema CDMA es necesario que el sincronismo funcione correctamente al menos al nivel de chip. 3.7 CONTROL DE POTENCIA

Uno de los aspectos más

importantes de un sistema CDMA es el

control de potencia. Puesto que la capacidad del sistema está limitada por la interferencia que los propios usuarios generan, es crucial que todas las señales de los usuarios lleguen al receptor con la potencia justa.

Recuérdese que un usuario cuya señal llega al receptor con una potencia excesiva está degradando las comunicaciones del resto de usuarios del sistema, tanto de su propia célula como de las células vecinas

Básicamente existen dos mecanismos para realizar el control de potencia en los terminales móviles:

• Control de potencia en lazo abierto.

• Control de potencia en lazo cerrado.

3.7.1 CONTROL DE POTENCIA EN LAZO ABIERTO

Consiste en utilizar un Control Automático de Ganancia (CAG) mediante el cual se modifica la ganancia de los amplificadores del transmisor a partir de la medida de la potencia recibida proveniente de la estación base. Esta potencia recibida viene de un canal piloto cuya potencia de transmisión es conocida a priori. De este modo el móvil puede estimar las pérdidas del canal y calcular cuál debe ser la potencia con la que debe transmitir para que la estación base le reciba con la potencia adecuada.

Este mecanismo, sin embargo, tan sólo garantiza que la potencia recibida por la base sea la deseada en valor promedio, pero no en cada realización concreta. Esto ocurre por diversos factores. En primer lugar, la técnica se basa en el hecho de que los canales ascendente y descendente son simétricos, es decir que las pérdidas de


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propagación son las mismas en ambos sentidos. Esto no siempre es cierto, y menos aún cuando las frecuencias centrales de los canales ascendente y descendente son muy diferentes. Por otro lado, las variaciones rápidas de la respuesta del canal, especialmente presentes en entornos de canal móvil, no pueden ser compensadas por esta técnica.

Para mejorar las prestaciones de esta técnica, aparece la idea del control de potencia en lazo cerrado. 3.7.2 CONTROL DE POTENCIA EN LAZO CERRADO

Con esta técnica, la estación base va realizando medidas de la potencia que recibe del móvil, y le va enviando una serie de comandos para que este vaya subiendo o bajando la potencia de transmisión según corresponda.

Usualmente, estos mensajes de control consisten en un único bit, cuyo valor indica si el móvil debe aumentar o disminuir su potencia de transmisión en un escalón fijo predefinido de Δ�dB.

Con este mecanismo podemos compensar incluso las variaciones rápidas de la respuesta del canal, consiguiendo, idealmente, que la potencia instantánea recibida por la base sea la correcta en todos los instantes de tiempo.

En un sistema donde todos los

usuarios tienen los mismos requisitos de calidad y que transmiten con la misma velocidad (misma ganancia de procesado), el escenario óptimo consiste en aquel en el que todos los usuarios llegan a la base con la misma potencia.

En caso de que no todos los

usuarios transmitan con la misma velocidad, esta consideración ya no es

cierta. Se debe recordar que en un sistema digital la calidad de transmisión viene determinada por la probabilidad de error en el bit, y ésta a su vez viene condicionada por la relación energía por bit a ruido e interferencias (Eb/N0). Si los usuarios que transmiten a diferentes velocidades deben tener la misma calidad, deberán tener la misma Eb/N0, con lo que la potencia instantánea recibida de todos ellos no deberá ser la misma. En particular, esta potencia deberá ir en proporción a la potencia interferente total que recibe la estación base. 3.8 PROBABILIDAD DE ERRORES EN LOS PAQUETES

En las transmisiones en modo paquete, la calidad de la transmisión viene definida por la probabilidad de error en cada uno de los bloques o paquetes de bits. Hasta el momento, las expresiones que se han desarrollado en la literatura describen la probabilidad de error en cada uno de los bits. Sin embargo, siendo rigurosos, este valor no puede aplicarse directamente al cálculo de la probabilidad de error en el paquete, puesto que solo estamos utilizando un valor medio, sin tener en cuenta la estadística de los errores.

Además, todas las expresiones existentes presuponen que todos los usuarios transmiten sus paquetes haciendo uso de la misma técnica de control de potencia. En un sistema real, ocurre en muchas ocasiones que usuarios de diferentes tipos transmiten de forma simultanea usando diferentes modos de control de potencia: algunos de ellos estarán transmitiendo los primeros paquetes de una conexión, probablemente estableciendo la misma o solicitando recursos, y tan sólo podrán realizar un control de potencia de lazo abierto, mientras que por otro lado habrá usuarios que estarán en mitad de una transmisión larga, y les será posible


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tener un canal descendente de control con el que realizan un control de potencia de lazo cerrado.

En estas situaciones de tráfico heterogéneo, es necesario establecer expresiones de las funciones de densidad de probabilidad de la potencia total recibida, tanto del usuario útil como de las interferentes.

Sea un sistema de transmisión por paquetes donde dichos paquetes son de L bits y se transmite la información usando secuencias pseudoaleatorios con ganancia de proceso Gp. Los slots de tiempo de transmisión son de tales que de cada paquete de L bits se transmite en uno de ellos. Se asume que el tiempo de coherencia del canal es mayor que la duración de los slots, de manera que la respuesta del canal permanece constante durante toda la duración de la transmisión de cada paquete. Por tanto, todos los bits de un paquete sufren la misma atenuación del canal. Analizaremos cuatro escenarios diferentes. 3.9 CODIFICACIÓN DE CANAL

En los sistemas CDMA puede incorporarse codificación de canal sin penalización en cuanto a ancho de banda. Esto es así gracias a que el ancho de banda ocupado es mucho mayor que el estrictamente necesario para transmitir la información de usuario.

Supongamos que tenemos un sistema sin codificación. La potencia interferente TOTAL podrá escribirse como

Donde N0 es la densidad espectral de las interferencias y Tc el tiempo de chip. Al mismo tiempo, la energía por bit de información puede

expresarse como Eb=PTb, donde P es la potencia de señal útil recibida y Tb el tiempo de bit. Entonces, la relación señal a interferente podrá escribirse como:

En el caso de incorporar un código de canal con una cierta tasa de redundancia r, parte de la energía transmitida no transporta información útil, sino la redundancia, y puede definirse la energía por símbolo transmitido, incluyendo esta redundancia, como Es=Eb·r. Estos símbolos se transmiten en un tiempo Ts=Tb·r. La potencia interferente se mantiene sin variación, puesto que las señales transmitidas con otros códigos se mantienen ensanchadas espectralmente. Por tanto, puede escribirse de nuevo la relación señal a interferente como:

Para conseguir una misma calidad de transmisión, es decir, una misma probabilidad de error en el bit, es necesario que la Eb/N0 sea mayor cuando el sistema no usa codificación. Por tanto, la potencia transmitida podrá ser menor en el caso codificado y la interferencia del sistema también. Todo ello redundará en una mayor capacidad del sistema, medida en términos de número de usuarios simultáneos, cuando se utiliza una cierta codificación.


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4. Estándar para celulares CDMA (IS95)

El estándar IS95 ha sido definido por la TIA (Telecommuniations Industry Association) de Estados Unidos, y es compatible con el plan de frecuencias existente en los Estados Unidos para la telefonía celular análoga. Las bandas especificadas son 824 MHz - 849 MHz para reverse-link y 869 MHz - 894 MHz para forward-link. Los canales están separados por 45 MHz. La velocidad máxima de usuario es de 9.6 Kb/s, y se ensancha a un canal de 1.2288 Mchip/s. El proceso en ensanche es diferente para cada enlace. En el forward-link los datos son codificados con un código convolucional (1/2), mezclados (interleaved), y se ensanchan con una secuencia de 64 bits (funciones de Walsh).

A cada móvil se le asigna una secuencia diferente. Se proporciona, además, un canal piloto (código) para que cada móvil pueda determinar cómo actuar con respecto a la base. Este canal tiene mayor potencia que todos los demás y proporciona una base coherente que usan los móviles para demodular el tráfico. También proporciona una referencia de tiempo para la correlación del código. En el reverse-link se utiliza otro esquema pues los datos pueden llegar a la base por caminos muy diferentes. Los datos son codificados con un código convolucional (1/3). Después de mezclados, cada bloque de 6 bits se usa como un índice para identificar un código de Walsh. Finalmente se ensancha la señal utilizando códigos que son específicos del usuario y de la base.

El control de potencia se lleva a cabo en pasos de 1 dB, y puede ser de dos maneras: Una es tomar como referencia la potencia recibida de la

estación base. La otra es recibir instrucciones de la base sobre el ajuste que se debe llevar a cabo. Finalmente, vale la pena anotar que la señal que se transmite se modula utilizando la técnica QPSK filtrado de la base al móvil y QPSK filtrado con un desplazamiento del móvil a la base 5. Desarrollo de una llamada

Cuando se enciende un móvil, éste conoce la frecuencia asignada para el servicio CDMA en el área local. Se sintoniza en dicha frecuencia y busca la señal piloto. Puede encontrar varias señales piloto provenientes de diferentes estaciones base, pero éstas pueden ser diferenciadas porque tienen diferentes desplazamientos de tiempo. El móvil selecciona la señal piloto más potente y establece referencias de tiempo y frecuencia a partir de ella. Una vez realizado este proceso de selección de la base, el móvil comienza a demodular con el código Walsh 32 que corresponde al canal de sincronización. El canal de sincronización contiene el valor futuro del registro de desplazamiento de código largo (42 bits). El móvil carga dicho valor en su registro y queda sincronizado con el tiempo de la estación base.

Adicionalmente se requiere que el móvil se registre en la base; de esta manera, ésta sabe que el móvil está disponible para recibir llamadas y cuál es su ubicación. Cuando un móvil pasa de una zona a otra y no hay una llamada en curso, realiza un proceso de idle-state handoff. Cuando el usuario realiza una llamada, el móvil intenta contactar la estación base con un acceso de prueba. El código largo que se utiliza está basado en los parámetros de la celda. Si ocurre una colisión el móvil no recibe respuesta y espera un tiempo aleatorio antes de intentar de nuevo.


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Al establecer contacto con la

estación base, esta le asigna un canal de tráfico mediante un código Walsh. A partir de este momento el móvil cambia el código largo por uno basado en su número de serie. El código Walsh se utiliza en el forward-link, mientras que el código largo se utiliza en el reverse-link. Cuando un móvil comunicado con una base detecta otra señal piloto suficientemente potente, solicita un proceso de soft handoff. Al móvil se le asigna otro código de Walsh y otra temporización piloto. El móvil debe estar en capacidad de recibir ambas señales y combinarlas. Cuando la señal de la base original haya disminuido lo suficiente, el móvil solicita el fin del soft handoff.

xAl finalizar una llamada, los canales se liberan. Cuando el móvil se apaga genera una señal registro de apagado que se envía a la base para indicar que ya no está disponible para llamadas. 6. CDMA Pasado, presente y futuro

La tecnología CDMA constituyó un fuerte elemento impulsor de los sistemas 2G en el momento de su aparición a principios de la década de los 90. Actualmente, en el marco de las actividades de desarrollo de los sistemas 3G, CDMA vuelve a presentar un papel preponderante, esta vez en versión de banda ancha o W-CDMA (Wideband CDMA). De hecho, esta tecnología aparece en la mayor parte de las propuestas presentadas a la UIT relativas a interfaz de radio para la tercera generación. Otras tecnologías asociadas a la 3G son W-TDMA (Wideband-Time Division Multiple Access) y los sistemas híbridos entre los dos ya citados.

Los sistemas CDMA convencionales están basados en técnicas de espectro esparcido (spread-

spectrum), que constituyen un legado del ámbito de la defensa en aplicaciones relativas a la eliminación de interferencias (anti-jamping), medidas de distancias (ranging) o encriptación. Estas técnicas se basan en esparcir el espectro de frecuencias de una señal en un ancho de banda mayor que el mínimo requerido para la transmisión, una situación que se mantiene a lo largo de todo el proceso de transmisión. Posteriormente, al llegar al receptor, la señal se recompone para obtener la señal inicial que se deseaba transmitir. De esta forma, se puede obtener una serie de enlaces que utilizan la misma banda de frecuencia simultáneamente sin que se generen interferencias.

CDMA es una tecnología de acceso múltiple, lo que significa que puede dar soporte a varios usuarios de forma simultánea. En este contexto, se utiliza el concepto de canal, que se define como una porción del espectro que se asigna, en un momento determinado, a una tarea específica, como puede ser, por ejemplo, una llamada telefónica. De esta manera y volviendo a lo anterior, el acceso múltiple significa que un número de usuarios suficientemente elevado comparte un mismo conjunto de canales de modo que cualquier usuario puede acceder a cualquier canal sin que existan asignaciones predeterminadas entre usuarios y canales. Se tiene, pues, un sistema de acceso basado en acceso múltiple cuando se define la forma en que el espectro se divide en canales, así como el mecanismo mediante el cual se genera la asignación dinámica entre los canales y los usuarios del sistema.

Los diferentes tipos de sistemas celulares existentes utilizan diversos métodos de acceso múltiple. En concreto, en CDMA se emplea un sistema basado en códigos digitales para diferenciar a los usuarios. Su fundamento descansa en la premisa de


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que la señal de usuario se esparce a una velocidad de 1,2288 Mbps (proceso conocido como "bit rate" o "chip rate") por el ancho de banda con un código ortogonal único que permite distinguirla de las de los otros usuarios que comparten el mismo canal de frecuencia.

La relación entre la velocidad de esparcimiento o "spread" de la señal ("spreading rate" o "chip rate") y la velocidad inicial (la velocidad que había antes de que se iniciase el proceso de "spreading") se conoce como ganancia de procesamiento o de codificación, una ganancia que permite que la señal pueda ser extraída del ruido asociado a la transmisión (el conjunto de señales espúreas). La ganancia de codificación constituye un factor de elevada importancia en el contexto de W-CDMA debido a que las señales sufren elevados niveles de interferencias y ruido procedentes de otros usuarios, tanto en la misma célula como en las adyacentes.

Para adaptarse a los requerimientos de los sistemas 3G es preciso conseguir una velocidad de esparcimiento o "spreading rate" considerablemente más elevada que las actuales, de forma que se pueda conseguir una mayor velocidad de transmisión y una mayor capacidad. Este "spreading rate" más elevado genera una mayor ganancia de codificación, lo cual proporciona una mayor inmunidad ante las interferencias.

La velocidad de "spreading" de 1,23 Mbps utilizada en los sistemas CDMA de la generación 2G constituye un legado de los primeros trabajos experimentales que aparecieron en este campo (Qualcom, PacTel), donde se utilizaba una velocidad de "spreading" que pudiera acomodar los 125 MHz de ancho de banda de que se disponía.

W-CDMA es una tecnología

CDMA extendida en términos de ancho de banda en un entorno de frecuencias de entre 5 y 20 MHz. Actualmente, la mayor parte de actuaciones en W-CDMA se están desarrollando para 5 MHz, aunque se espera que próximamente aparezcan de una manera regular los desarrollos en ancho de banda de 10, 15 y 20 MHz.

Un aspecto crucial relativo a W-CDMA viene dado por las cuestiones de planificación de red, puesto que, al tratarse de un sistema de 3G, ha de proporcionar servicios multimedia. En este contexto, es necesario identificar los aspectos clave analizando su impacto en el esquema de negocio de los operadores: en particular, la modelización del canal W-CDMA presenta un importante papel en la planificación de red, así como la estimación del impacto del tráfico. Otro aspecto de especial importancia para la planificación viene dado por el proceso de asignación de licencias 6.1 CDMA 2000

Las redes CDMA proveen una capacidad de transmisión inalámbrica de datos de alta velocidad que brinda a los clientes servicios de información e imágenes desde cualquier lugar que se encuentren. La tecnología CDMA genérica aparece como la base tecnológica por excelencia para la próxima generación de comunicaciones móviles 3G habiendo entrado ya en la presente 2G; de hecho, la tendencia global en la industria es la adopción de las tecnologías CDMA. CDMA proporciona mejores prestaciones que las tecnologías celulares convencionales TDMA y su variante europea GSM, tanto en calidad de comunicaciones como en privacidad, capacidad del sistema y flexibilidad y, por supuesto en ancho de banda.


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CDMA es una tecnología

genérica que puede describirse, groso modo, como un sistema de comunicaciones por radio celular digital que permite que un elevado número de comunicaciones de voz o datos simultánea compartan el mismo medio de comunicación, es decir, utilizan simultáneamente un pool común de canales de radio, de forma que cada usuario puede tener acceso a cualquier canal de forma temporal; el canal es un trozo de espectro de radio que asigna temporalmente a un tema específico, como, por ejemplo, una llamada telefónica.

En base a esto se observa que CDMA es una técnica de acceso múltiple. En CDMA, cada comunicación se codifica digitalmente utilizando una clave de encriptación que solamente conocen los terminales involucrados en el proceso de comunicación. La codificación digital y la utilización de la técnica de espectro esparcido, otra característica inherente a CDMA se puede considerar como los puntos de identificación de la tecnología CDMA.

La distribución celular y la reutilización de frecuencias son dos conceptos estrechamente relacionados con la tecnología CDMA; el objetivo es realizar una subdivisión en un número importante de celdas para cubrir grandes áreas de servicio. Desde un punto de vista de distribución celular, la tecnología CDMA se puede contemplar como una superación de la tradicional subdivisión celular hexagonal. Ventajas:

1. Aprovecha la naturaleza de las conversaciones humanas para proporcionar mayor capacidad.

2. No requiere de un ecualizador.

Basta con el correlacionador.

3. Sólo se requiere un radio por

célula. 4. Como todas las células utilizan

las mismas frecuencias, no hay necesidad de hacer cambio de frecuencias en el handoff (hard/handoff). Sólo hay que hacer cambio de códigos.

5. No se requieren los bits de

guarda que hay entre las ranuras en TDMA.

6. Al sectorizar, por lo menos en

teoría, se obtiene un incremento de la capacidad.

8. La transición es más fácil. En

CDMA se utiliza un ancho de banda de 1.25 MHz, el cual es equivalente al 10% del ancho de banda asignado a las compañías celulares, por lo que se puede hacer una transición lenta y adecuada.

9. Mayor capacidad.

10. No se requiere gestión ni

asignación de frecuencias.

11. El efecto de adicionar un usuario extra sobre la calidad se distribuye entre todos los usuarios.

12. Puede coexistir con sistemas

análogos.

13. Mejora la calidad de transmisión de voz y eliminación de los efectos audibles de fanding (atenuación) multitrayecto.

14. Reducción del número de

lugares necesarios para soportar cualquier nivel de tráfico telefónico.


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15. Simplificación de la selección de

lugares.

16. Disminución de las necesidades en despliegue y costos de funcionamiento debido a que se necesitan muy pocas ubicaciones de celda.

17. Disminución de la potencia

media transmitida.

18. Reducción de la interferencia con otros sistemas.

19. Bajo consumo de energía lo cual

ofrece más tiempo de conversación y permitirá baterías más pequeñas y livianas.

6.2 W-CDMA

Se refiere a las normas ETSI y NTT DoCoMo (filial móvil de la japonesa NT&T) para tecnología de tercera generación sometida ante la ITU, como parte del proceso IMT-2000 3G. Esta norma incorpora una interfaz aérea que utiliza la técnica CDMA, pero que no es compatible en la forma en que está definida para las interfaces inalámbricas y de red con cdmaOne, cdma2000 o IS-136. La especificación de interfaz aérea no es compatible con GSM y, por lo tanto, no apoya la migración evolutiva. 6.3 Diferencias principales entre cdma2000 y W-CDMA

cdma2000 W-CDMA Sincronización de la estación base Sincronizado No sincronizado

Adquisición y detección de la estación base

Correlación PN de tiempo desplazado

Búsqueda de códigos paralelos en tres pasos para la detección de la estación base y la sincronización de ranuras / tramas

Longitud de la trama 20 ms 10 ms

Velocidad de la plaqueta 3.6864 Mcps 4.096 Mcps

Piloto de enlace delantero para el calculo del canal

Piloto común CDM Piloto dedicado TDM

Formación de haz de antena y haces cerrados

Piloto auxiliar dedicado CDM

Piloto dedicado TDM

97. Ventajas de CDMA sobre GSM

A continuación se listan algunas ventajas y beneficios de la tecnología de CDMA:

Beneficios a los usuarios Calidad excepcional de voz y comunicación: CDMA provee calidad superior de voz, considerada virtualmente tan buena como la de línea alambica. También filtra los ruidos de fondo, cruces de llamadas, e interferencia, mejorando

grandemente la privacidad y calidad de la llamada. Menor consumo de energía: Los teléfonos de CDMA típicamente transmiten con fuentes de energía substancialmente menores que los teléfonos que utilizan otras tecnologías, resultando en una vida más larga para las pilas, lo que redunda en una mayor disponibilidad de tiempo para llamadas y tiempo de espera. Porque se utilizan pilas más pequeñas, los fabricantes pueden también fabricar teléfonos más


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pequeños y ligeros. Menos llamadas interrumpidas: CDMA aumenta la capacidad del sistema, eliminando virtualmente señales de ocupado, cruces de llamadas, y llamadas interrumpidas que resultan de la congestión del sistema. Utilizando un sistema patentado de pasar llamadas entre celdas conocido como traslado de llamadas "soft handoff", CDMA también reduce significativamente la posibilidad de llamadas alteradas o interrumpidas durante el traslado de llamadas. Más extensa cobertura: La señal de espectro amplio de CDMA provee mayor cobertura que otras tecnologías inalámbricas, tanto dentro de locales como al aire libre. CDMA también interacciona con otras formas de sistemas de telecomunicación, permitiendo amplias y fluidas coberturas y conexiones. Seguridad y privacidad: Además de filtrar el cruce de llamadas y ruidos de fondo, las transmisiones de espectro amplio y codificadas digitalmente de CDMA son intrínsecamente resistentes a la intrusión. La codificación de voz de CDMA también evita "cloning" y otros tipos de fraude. Mejoras en los servicios: El canal de control digital de CDMA permite a los usuarios el acceso a una amplia gama de servicios que incluyen identificación del que llama, mensajes cortos y transmisión de datos. CDMA también permite la transmisión simultánea de voz y datos. Beneficios a los Proveedores de Servicio Mayor capacidad: CDMA provee de 10 a 20 veces la capacidad de las tecnologías análogas inalámbricas, y más de tres veces la capacidad de otras tecnologías digitales; lo que permite a

los proveedores de servicios apoyar más subscriptores y en mayores volúmenes tráfico inalámbrico en una porción limitada del espectro de frecuencias de radio. Debido al rápido crecimiento del número de subscriptores del servicio inalámbrico y los minutos de uso, la capacidad es un problema crítico. Cobertura más amplia: Con su alcance superior y las características de funcionamiento de su señal, CDMA mejora la cobertura al aire libre y bajo techo. Las redes CDMA requieren solamente una fracción de los asentamientos de celdas que necesitan otras tecnologías inalámbricas para cubrir un área dada, Con menos asentamientos de celdas, los proveedores de servicio pueden reducir su inversión inicial de capital así como también sus costos corrientes de operación y mantenimiento. Flexibilidad: CDMA es la única tecnología inalámbrica que apoya con efectividad tanto los servicios fijos como móviles desde la misma plataforma, dando apoyo a dos fuentes de ingreso y a la vez permite a los proveedores de servicio el ofrecer a sus clientes un servicio fluido de "un solo teléfono." Las redes de CDMA también cuestan menos en diseño e ingeniería que otros tipos de sistemas inalámbricos, haciéndolos más fáciles de reconfigurar y expandir. Implementación rápida: Los sistemas CDMA pueden ser implementados y expandidos más rapidamente y con mayor costo-efectividad que la mayoría de las redes de líneas alámbricas. Y porque requiere menos celdas y espacio de celdas, las redes CDMA pueden instalarse más rapidamente que cualquier otro tipo de red inalámbrica. Interacción en las operaciones: CDMA interacciona con AMPS (el Sistema Avanzado de Teléfono Móvil, la base de la mayoría de las redes de


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teléfonos celulares análogos), con redes de teléfono IS-41 y pronto con redes GSM/MAP, que permiten amplia cobertura y conexión, además de permitir a los operadores apoyarse en su equipo. Calidad de servicio: La superior calidad de la voz en CDMA y mayores servicios que incluyen datos inalámbricos, dan a los proveedores de servicio una clara ventaja sobre la competencia para ganar y conservar clientes. Selección: Con una amplia base de apoyo de fabricantes líderes en telecomunicaciones en el mundo entero y con un aumento de los ahorros de volumen, los proveedores de servicios pueden elegir entre una amplia gama de productos de CDMA avanzados y de costo competitivo. Mejoras continuadas: Reconocida ya como la tecnología inalámbrica digital más avanzada, IS-95 CDMA (CDMAOne) está siendo mejorada más aún para apoyar nuevas características y servicios tales como la alta velocidad de datos. Al implementas CDMAOne, los proveedores de servicios pueden estar seguros de un camino de transición sin problemas con apoyo en sus inversiones en IS-95.

En el cambio hacia la 3G hay dos tendencias tecnológicas CDMA y GSM. En esta última su próximo paso es ira al estándar GPRS (General Packet Radio Services) que vendría siendo lo que se llama generación 2.5 para finalmente llegar a 3G con W-CDMA que alcanza mayor espectro radioeléctrico. CDMA ofrece muchas ventajas de eficiencia de espectro: es más rápida en velocidad y en transmisión de datos sobre GSM actual, que tiene muchas ventajas en lo referente a la penetración de mercado y economías a escala a nivel mundial. Los operadores basan sus estrategias especialmente en ellos. Como es sabido,

la tercera generación permitirá recibir y enviar información multimedios desde cualquier dispositivo móvil o fijo y permitirá velocidades desde hasta 2Mbps, las cuales estarán disponibles con CDMA2000.


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SuperNEC, UNA HERRAMIENTA PARA EL DISEÑADOR DE

ANTENAS

Por: Francisco A. Sandoval N. Profesional en Formación 6to. ciclo

INTRODUCCIÓN:

Generalmente el diseño de antenas es considerado un trabajo bastante arduo, debido a la laboriosa tarea que resulta el hacer los cálculos necesarios, además cabe notar que habitualmente suele tenerse un sin número de problemas al momento de pasar los datos obtenidos teóricamente, a la práctica, puesto que suelen surgir en ciertas ocasiones notables diferencias. Otro punto rescatable que puede presentarse como un potencial problema para la persona que ingresa al mundo del diseño y construcción de antenas es, la necesidad de equipos de elevado costo para probar y descubrir las falencias y virtudes de sus diseños, entre ellos el más conocido, el analizador de espectros que sin duda es un equipo imprescindible para poder observar la respuesta de la antena en la práctica.

En réplica a estos planteamientos, han surgido un sin número de software encaminado a facilitar la tarea del diseñador, entre los cuales está el programa SuperNEC al cual me voy a referir en este artículo, no de una manera profunda, sino pretendiendo dar a conocer a breves rasgos del mismo que inciten al lector a experimentar por si mismo y observar los alcances de dicho programa.

DESCRIPCIÓN DEL SUPERNEC: Este programa es posible obtenerlo a través del internet, pero es necesario además del instalador,

conseguir la respectiva licencia, la cual es posible pedirla vía mail, enviando ciertos datos necesarios de su computador y la justificación por la que se desea utilizar el mismo.

Este programa trabaja directamente con MatLab por lo cual es imprescindible que también se encuentre instalado en el computador.

En SuperNEC el usuario puede construir sus propios diseños de antenas, ya sea erigiéndolas en su totalidad o utilizando, si es acorde a sus requerimientos, los diseños de antenas más comunes que vienen incluidos en el programa y a los cuales es posible variarles ciertos parámetros que permiten acoplarlos a las necesidades del usuario. El usuario también puede hacer sus propios prototipos estándar a través de un m-file en MatLab. Luego de tener definido un diseño en la pantalla principal es posible obtener una serie de análisis acerca de los parámetros de la antena como el diagrama de radiación, ya sea tridimensional o bidimensionalmente, la distribución de corriente en la antena, el campo eléctrico y magnético cercano definido en coordenadas rectangulares o polares, gráficas de la impedancia versus frecuencia, parámetros de potencia versus frecuencia (eficiencia), valores de acoplamiento versus frecuencia, ver la estructura y algunas opciones más.

El programa utiliza para la

realización de los cálculos la ecuación integral del campo eléctrico (EFIE), la cual es resuelta por el método de momentos. El usuario puede incluir sin ningún problema en sus diseños, segmentos, planos, cilindros, cargas,


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fuentes y líneas de transmisión con sus respectivas características específicas si es necesario, lo cual da a notar el gran alcance del programa.

En la nueva versión SuerNEC 2.9, además de contar con los ejemplos de las antenas más conocidas como los dipolos, monopolos, antenas yagi, log periódicas, helicoidales, rectangulares, etc; también se cuenta con algunos ejemplos de antenas fractales como las basadas en el fractal de Korn, de árbol, etc. También, a pesar de que esta por demás decirlo, usted puede simular sin ningún problema arreglos de antenas y construir nuevos modelos assembly como archivo m-file de MatLab para utilizarlos en SuperNEC. EJEMPLO:

A continuación, buscando que el lector comprenda de mejor manera lo que se ha venido comentando se presenta un sencillo ejemplo extraído de los documentos de ayuda propios del programa.

Se pretende modelar un arreglo

de antenas Yagi usando el programa. Como se mencionó

anteriormente en SuperNEC existen algunos ejemplos (assembly) desde los cuales podemos partir para lograr el arreglo deseado.

En la figura 1 se exhibe la GUI

principal del programa, localizamos en el menú, Add | Assembly | antennas | snyagi. Al realizar esta operación nos encontramos con el cuadro de diálogo que aparece en la figura 2, donde podemos especificar el número de elementos de la estructura yagi, el diámetro, longitud y localización de los mismos. Al igual que el espaciamiento entre ellos.

Figura 1. Agregar una estructura Yagi.

Figura 2. Entrar parámetros de la

antena Yagi.

El resultado luego de incluir los datos que se evidencian en la figura 2, se presenta en la figura 3.

Figura 3. Antena Yagi.

Luego podemos hacer las

modificaciones que nos parezcan necesarias como incluir líneas de transmisión, cargas, etc. Incluyendo una línea de transmisión entre los dos últimos directores y cargas a los


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extremos del reflector obtenemos la siguiente gráfica:

Figura 4.

Luego con mucha facilidad,

teniendo como base el modelo de la figura 4 podemos generar un arreglo, reflejarlo, cambiarlo de posición, rotarlo u otras alternativas bastante útiles que nos presenta el programa. En este caso trasladamos el modelo y lo duplicamos en dos ocasiones obteniendo como resultado la figura 5.

Figura 5. Arreglo de Yagis.

Hacemos una reflexión a lo

largo del eje x para obtener como resultado la figura 6.

A continuación se procede a hacer el respectivo análisis, para lo cual obtenemos el diagrama de radiación tridimensional y bidimensional el cual se expone en las figuras 7 y 8.

Figura 6.

Figura 7. Diagrama de radiación

tridimensional.

Figura 8. Diagrama de radiación

bidimensional.

Para este análisis el usuario debe especificar el intervalo de frecuencia en el cual quiere trabajar, también puede valerse de las múltiples opciones que se presentan para modificar las gráficas, las cuales permiten cambiar la presentación de las mismas, por ejemplo si en la gráfica bidimensional se desea que se presente en coordenadas polares


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o rectangulares, el tipo de unidad que se prefiere para la ganancia, etc.

Otra de las múltiples opciones es visualizar la distribución de corriente para las diferentes frecuencias de análisis, un ejemplo de cómo se observa en el programa para el arreglo yagi que se ha venido desarrollando se muestra en la figura 9.

Figura 9. Distribución de corriente.

SuperNEC también agiliza los

cálculos que tienen que ver con las propiedades de las antenas como el factor de calidad, coeficiente de reflexión, etc. También ayuda en el cómputo de cálculos físicos y de propagación además de facilitar la conversión de unidades con respecto a varios parámetros como ángulos, frecuencia, impedancia, potencia, etc.

Solo queda acotar, que no existe mejor manera de que el lector compruebe las facilidades que le puede brindar este software que comprobándolo por sí mismo.


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RELOJ DIGITAL PREINICIABLE Y CONTEO ASCENDENTE Y

DESCENDENTE

Por: Sigifredo Gabriel Vire Diego O. Barragán G. Santiago M. Loaiza O.

Profesionales en formación 6to ciclo

Materiales • 555 • 6 contadores 74LS192 • 6 decodificadores 74LS47 • 6 display de 7 siete segmentos

(ánodo común) • Compuertas 74LS08 74LS04

74LS32 • Dip switch • Fuente de 5 V y 2 A • Cable de conexión Síntesis de la conexión

Utilizaremos directamente una fuente de alimentación de 5 voltios y 2 amperios de salida.

A la fuente se conecta un dispositivo 555, para que genere los pulsos de la cadencia.

Tras ese dispositivo, situamos seis contadores en cascada, consiguiendo así la cuenta de minutos que reinicia cada 60 minutos, y la de horas, que reinicia cada 24.

Después, solamente queda decodificar la información de dichos dispositivos para que pueda ser visualizada por los displays. Esquemático (Figura 1) (Nota: con un zoom de 500% es posible ver los destalles del diagrama del reloj)

5V

0V

5V

0V0V

5V

0V

0V

5V

5V

0V

0V5V

5V

0V

5V

0V

0V

0V

0V

0V0V

U25A

U23A

U22A

U21A

U20A

U16D

U16C

U17A

U16B

74LS192CPUCPDPLMRD3D2D1D0

TCUTCDQ3Q2Q1Q0

U11

U8C


TCUTCDQ3Q2Q1Q0

U6

74LS47A3A2A1A0

testRBI

gfedcba

RBO

U19

U16A


TCUTCDQ3Q2Q1Q0

U15

U14A

U13A

U12A

U18D

U18C

U7A

U27D

U8B


TCUTCDQ3Q2Q1Q0

U9

U18B

U18A

U27C

U8A

U27B

S7

+V5V

U26D74LS192CPUCPDPLMRD3D2D1D0

TCUTCDQ3Q2Q1Q0

U4

+V5V

CP1CP2

Q1Q2

V5S5

S6

S4 S3

+V5V


TCUTCDQ3Q2Q1Q0

U1

+V

V45V

a b c d e f g .

V+

DISP6

+V

V35V

a b c d e f g .

V+

DISP5

74LS47A3A2A1A0

testRBI

gfedcba

RBO

U29

74LS47A3A2A1A0

testRBI

gfedcba

RBO

U24

a b c d e f g .

V+DISP4

+V

V275V

+V

V225V

a b c d e f g .

V+DISP3

74LS47A3A2A1A0

testRBI

gfedcba

RBO

U10

U5B

74LS47A3A2A1A0

testRBI

gfedcba

RBO

U3

a b c d e f g .

V+DISP2

+V

V85V

+V

V75V

a b c d e f g .

V+

DISP1

74LS47A3A2A1A0

testRBI

gfedcba

RBO

U2

R51k

R21k

R11k

R41k

R31k

Figura 1. Esquemático. Descripción de cada dispositivo 555

En la figura 2 se muestra la conexión del C.I. como M.V. astable así como sus formas de onda correspondientes, en donde se muestran los resistores de ajuste de tiempos RA y


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RB. También se presenta el capacitor C para el ajuste de tiempo. Operación

Cuando se conecta la fuente de alimentación, el capacitor C con el tiempo sé carga a 2\3 Vcc a través de RA y RB, cuando el voltaje del capacitor llega a 2\3 Vcc, el comparador de nivel alto dispara al Flip – Flop y el capacitor inicia su descarga a tierra.

Figura 2. M.V. astable con 555.

A través de RB, cuando el voltaje llega a 1\3 Vcc, el comparador de nivel bajo se dispara, iniciando un nuevo ciclo se inicia, el capacitor es cargado periódicamente, y descargado entre 2\3 Vcc y 1\3 Vcc respectivamente como se muestra en la figura, la salida permanece en nivel alto durante el ciclo de carga durante el tiempo t1.

( ) C)RBRA(.tVcc/VccVcc/VcclnCRBRAt +=⇒

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

−+

+= 69303132

11

C)RB(.t 69302 =

C)RBRa(.ttT 2693021 +=+=

C)RBRA(.

Tf

244311+

==

RBRARBRA

TtD

21

++

==

Para nuestro proyecto, se usa resistencias de 50k y un potenciómetro de 50K en Rb. El capacitor es de 10 uF. Contadores 74LS192 (contador pre inicable UP / Down de 010 a 910)

Figura 3. 74LS192. Cpu: conteo ascendente a cada entrada de pulso de reloj (entrada) Cpd: conteo descendente a cada entrada de pulso de reloj (entrada) MR: reset asincrónico (entrada) PL: carga asincrónica paralela, activa en bajo (entrada). Pn: Entrada de datos paralela. Qn: flips flop de salida. TCD: salida de conteo descendente. TCU: salida de conteo ascendente.

Cada entrada Pn se conecta a un Dip switch para ejecutar el preset.

Las salida Qn se conectan a las respectivas entrada del 74LS47. Las salidas TCD y TCU se conectan a las entradas CPU y CPD de los demás contadores.


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Convertidor BCD a siete segmentos 74LS47

Figura 4. 74LS47. Descripción de los pines A0-A3: entradas BCD RBI: Onda que Borra la entrada (Activo BAJO) (activa en baja) LT: Prueba de la lámpara (activa en baja) BI/RBO: Onda que Borra la salida (activa en baja) a-g: salida al display de siete segmentos (activa en baja) Display de siete segmentos

Figura 5. Display 7 segmentos. Compuertas 74LS04 Compuerta not

74LS08 Compuerta AND

74LS32 Compuerta OR

Conclusiones

La alimentación del dispositivo debe tener de 4.5 a 5.5 voltios y mantener una corriente de 1.2 amperios como mínimo.

Las compuertas se usan para el reset de los contadores y el pulso de entrada para el siguiente contador. Se puede usar el convertido 74LS48 y display de cátodo común.


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EL SOFTWARE DE LOS NUEVOS LEGO® MINDSTORMS™ SERÁ LABVIEW

NOTA DE PRENSA - Febrero de 2006 - National Instruments y el grupo LEGO han anunciado que colaborarán en el desarrollo del software para la nueva generación de robots LEGO® MINDSTORMS™ . LEGO MINDSTORMS NXT incluye un entorno de programación completamente nuevo basado en el software de desarrollo gráfico LabVIEW de National Instruments y compatible con PC y Mac. Este nuevo producto, que se anunció en la Feria de Electrónica de Consumo de Las Vegas, estará disponible en agosto de 2006.

Después del gran éxito mundial del LEGO MINDSTORMS Robotics Invention System, presentado en 1998, el Grupo LEGO está aprovechando las nuevas tecnologías como los procesadores de 32 bits, nuevos motores y sensores, comunicación inalámbrica Bluetooth® y herramientas de software avanzadas. El nuevo software, basado en LabVIEW proporciona un entorno intuitivo y una enorme variedad de capacidades que permiten programar simplemente arrastrando íconos. Los usuarios más nuevos encontrarán mucho más fácil crear sus propios programas, y lo usuarios avanzados apreciarán la capacidad de crear programas complejos para sus robots. Este nuevo software se usará tanto en la versión educativa como en la versión comercial del LEGO MINDSTORMS NXT.

"Estamos encantados de colaborar con National Instruments en el desarrollo del software NXT", afirmó Søren Lund, director de LEGO MINDSTORMS. "Para poder ampliar la base de usuarios de MINDSTORMS entre los chicos más jóvenes y también a diseñadores de robots de nivel más avanzado, es importante acertar con el

diseño del producto, pero también proporcionar un potencial ilimitado a través de una herramienta software. Usar el sofisticado motor de LabVIEW nos permite por un lado mantener todo lo que nuestros clientes actuales aprecian en los MINDSTORMS actuales, y por otro ir un paso más allá para proporcionar una herramienta que es lo suficiente fácil como para que lo use un niño de 10 años y lo suficientemente técnica como para que un usuario adulto se sienta inspirado y aleccionado para la creación. National Instruments comparte nuestro compromiso para difundir la creatividad e innovación entre los niños, y con esta colaboración estamos creando una próxima generación de productos más inteligentes, más fuertes y más intuitivos".

El Grupo LEGO y National Instruments tiene una relación de colaboración muy larga, desde 1998, cuando se desarrolló el primer RoboLab, el software de programación usado en la serie escolar del LEGO MINDSTORM. El software RoboLab, que también está basado en LabVIEW existe en 17 idiomas, y ha hecho que LEGO MINDSTORMS para Colegios sea el sistema de invención y robótica más usado en los colegios de todo el mundo.

"Desarrollar una versión de LabVIEW para LEGO MINDSTORMS es una oportunidad única para National Instruments de ejecutar LabVIEW en una plataforma embebida de alto volumen y crear un entorno de desarrollo que sirve igual de bien para niños, científicos o ingenieros. " afirmó Ray Algrem, vicepresidente de marketing de producto y relaciones académicas en National Instruments.


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"Nuestra colaboración inicial con el grupo LEGO para desarrollar RoboLab resultó en un producto de gran éxito para LEGO Education y también trajo algunas mejoras a LabVIEW que nuestros clientes ahora aprovechan. Esta nueva colaboración pondrá una versión del entorno de programación gráfica LabVIEW al alcance de miles de niños en todo el mundo a través del sistema de invención robótica más famoso. Somos afortunados de poder trabajar junto con una empresa cuyos productos inspiran a los niños para que sean innovadores y creativos, y que fomenten entre ellos las carreras técnicas y científicas. Más información sobre el Grupo LEGO

El Grupo LEGO (www.lego.com) es una empresa privada familiar con sede en Billund, Dinamarca. Fue fundada en 1932, y se ha convertido en uno de los fabricantes más importantes del mundo de juguetes para niños, con aproximadamente 5.600 empleados en todo el mundo. El Grupo LEGO está comprometido con el desarrollo de las capacidades creativas e imaginativas de los niños, y sus productos están disponibles en más de 130 países. Fuente: www.ni.com/news


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TIPS OPERACIONES SOBRE SEÑALES

Por: Sigifredo Gabriel Vire Diego O. Barragán G. Profesionales en formación de 6to. ciclo

Funciones para el cálculo de la

Transformada discreta de Fourier (DFT), Transformada de Fourier en tiempo discreto (DTFT) y transformada inversa discreta de fourier (IDFT). Cálculo de la transformada unilateral de Laplace. DFT

h es la señal digital. p es el periodo de la señal. Ejemplo Calculo de la DFT de x[n]= {1,2,1,0}

IDFT

y es la DFT de una señal discreta. p es el periodo. Ejemplo Cálculo de la IDFT de

XDFT[k]= {4,-j2,0,j2}

DTFT

x es la señal digital. a es la extensión de la función. Ejemplo Calculo de la DTFT de x[n]= {1,2,1,0}

Transformada unilateral de Laplace

z es la función en el tiempo. a es el desplazamiento de la función escalón. Ejemplo Calcular la transformada de:


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x(t): exp(-2t)*u(t) y(t)= (t-3)2*exp(-2t)*u(t-3)


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CICLO DE CONFERENCIAS

Sin duda, cuando los jóvenes

estudiantes salen de los colegios, lo hacen con una gran cantidad de dudas sobre cuál será su futuro profesional. Aunque han llenado muchos tests de aptitudes, muy pocos están completamente seguros de que éstos sean un real reflejo de lo que verdaderamente deben estudiar posteriormente. Por ello, es necesario que en la universidad, dado que es aquí donde los jóvenes se formarán como profesionales, se brinde durante los primeros meses un conocimiento lo más amplio y claro posible de lo que tal o cual carrera exigirá de ellos. Ventajosamente, nos estamos educando en una universidad que nos permite conocer, durante el primer ciclo (Nivel Básico Común NBC), en Introducción a la carrera, las generalidades de la carrera que hemos creído será nuestro modus vivendi.

En nuestro caso, específicamente en Introducción a la Electrónica y Telecomunicaciones, la Ing. Patricia Ludeña, con el apoyo de la Escuela, planificó, durante el periodo académico octubre 2005 – Marzo 2006, una serie de conferencias dictadas a los profesionales en formación por parte de distinguidos profesionales. Estamos seguros de que estas conferencias aclararon el panorama de lo que la Electrónica y las Telecomunicaciones representarán en el futuro de los aspirantes a incursionar el este hermoso campo. Un agradecimiento a todos quienes nos honraron con su presencia y a las empresas que lo permitieron; esperamos contar en posteriores ocasiones nuevamente con ustedes. Los conferencistas y las temáticas abordadas por cada uno de ellos se presentan en el siguiente cuadro:

Sem Temática Contenido Institución Expositor 1

09-09-05 General

Visión general de la Ingeniería en Electrónica y Telecomunicaciones

UTPL Ing. Patricia

Ludeña

2 16-09-05

General

Tendencias mundiales en el desarrollo de Electrónica y Telecomunicaciones y perfil de profesionales ante la era de la información

UTPL Ing. Patricia

Ludeña

3 23-09-05

Electrónica Visión panorámica de líneas de investigación trabajadas en UTPL

UTPL Equipo GESE

Ing. Marco Morocho

Ing. Marcelo Dávila

4 30-09-05

Sensores remotos

Visión prospectiva y aplicaciones de sensores remotos

UTPL Equipo SIG

Ing. Héctor Gómez

5 07-10-05

Telecomunicaciones

Visión panorámica de líneas de investigación trabajadas en UTPL

UTPL Equipo de

Telecomunicaciones

Ing. Cecilia Vásquez

Ing. Pablo Toapanta

6 Automatización Tectronix Ing. Gonzalo

Cuenca


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14-10-05 IEEE UTPL-IEEE UTPL-IEEE Ing. Susana

Arias

Radio_comunica

ción Visión general de técnicas de radiocomunicación ECUATRONIX

Ing. Héctor Barrigas

7 21-10-05

Robótica Visión prospectiva en la robótica ESPOL

Ing. Dennys Paillacho

Datos Acceso inalámbrico a datos de alta velocidad TELCONET

Ing. Xavier Banchón 8

28-10-05 Física Física Aplicada EPN Dr. Douglas

Moya

Motivacional Softkill: Espíritu de un ingeniero CENACE Ing. Bernarda

Toledo 9 04-11-05 Telefonía Fija

Retos de la telefonía fija ante el aparecimiento de nuevos servicios

PACIFICTEL Ing. Jorge Mogrovejo

10 11-11-05

Control y automatización

El control en el Ecuador Higth Ligth Ing. Raúl

Castro

11 25-11-05

Internet El ciberespacio al alcance de todos IMPSAT

Ing. Daniel Ojeda

12 02-12-05

Telefonía Celular

Estructura de la telefonía celular MOVISTAR

Ing. Alex Alulema

Potencia Realidad energética en el Ecuador CENACE

Ing. Verónica López 13

09-12-05 Convergencia de Servicios

Integración de servicios de voz, datos y video ETAPA

Ing. Freddy Pesantez

14 16-12-05

Políticas y regulaciones de telecomunicaciones

Políticas estatales para fortalecimiento y expansión de las telecomunicaciones en Ecuador

SENATEL/ SUPTEL

Ing. Luis Veintimilla

15 23-12-05

Empresarial/ Telecomunicaciones

Establecimiento de empresas de telecomunicaciones SURCONET

Ing. Manuel Benavides

Figura 1. El Dr. Douglas Moya durante su conferencia.


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Figura 2. Ing. Bernarda Toledo.

Figura 3. El Dr. Moya junto a la Ing. Ludeña y a algunos docentes investigadores de nuestra universidad.


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BIOGRAFÍAS INVENTORES DEL TRANSISTOR

Walter Houser Brattain (1902-1987), físico y premio Nobel estadounidense, nacido en Amoy, China. Después de trabajar como físico en la división de radio del Instituto Nacional de Modelos y Tecnología, en 1929 se incorporó a los laboratorios de la Compañía Telefónica Bell. En la época en que trabajaba allí, él y los físicos estadounidenses William Shockley y John Bardeen inventaron un pequeño dispositivo electrónico llamado transistor. Se anunció por primera vez en 1948 y se terminó en 1952, empleándose comercialmente en radios portátiles, audífonos y otros aparatos. Por su trabajo con los semiconductores y por el descubrimiento del transistor, Brattain compartió con Shockley y Bardeen en 1956 el Premio Nobel de Física. John Bardeen (1908-1991), físico y premio Nobel estadounidense, nació en Madison (Wisconsin) y estudió en las universidades de Wisconsin y Princeton. Como físico investigador (1945-1951) en los Laboratorios Telefónicos Bell, fue miembro del equipo que desarrolló el transistor, un diminuto aparato electrónico capaz de realizar la mayoría de las funciones de los tubos de vacío.

Por este trabajo, compartió en 1956 el Premio Nobel de Física con dos compatriotas, los físicos William Shockley y Walter H. Brattain. Mientras tanto, se había incorporado en 1951 a la Universidad de Illinois. En 1972 compartió nuevamente el Premio Nobel de Física con los físicos estadounidenses Leon N. Cooper y John R. Schrieffer por el desarrollo de una teoría que explicaba la superconductividad, es decir, la desaparición de la resistencia eléctrica en ciertos metales y aleaciones a temperaturas cercanas al cero absoluto. Bardeen fue el primer científico que ganó dos premios Nobel en la misma disciplina. William Bradford Shockley (1910-1989), físico estadounidense, premiado con el Nobel y coinventor del transistor. Nació en Londres de padres estadounidenses. Trabajó en los laboratorios de la Compañía Telefónica Bell desde 1936 hasta 1956, año en que fue nombrado director de la Shockley Transistor Corporation en Palo Alto, California. Dio conferencias en la Universidad Stanford desde 1958 y fue profesor de ingeniería en 1963. Sus investigaciones sobre los semiconductores le llevaron al desarrollo del transistor en 1948. Por esta investigación compartió en 1956 el Premio Nobel de Física con sus asociados John Bardeen y Walter H. Brattain. Con posterioridad publicó varios polémicos ensayos en los que argumentó que la inteligencia es ante todo hereditaria.


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PRIMERA INGENIERA DE LA ESCUELA DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES

Nuestra Escuela ya cuenta con Ingenieros profesionales. Patricia Ludeña fue la primera estudiante en graduarse en esta ingeniería. Los que hacemos la revista EN CORTO CIRCUITO manifestamos nuestra felicitación y deseos de que su futuro sea lleno de éxitos.

Patricia luego del acto de graduación.

revista en corto circuito8

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