📚 Unidad 1: Fundamentos de Telecomunicaciones
Diagrama a bloques de un sistema de comunicación
Diagrama: Fuente de Información → Transmisor (Codificador, Modulador) → Canal de Transmisión → Receptor (Demodulador, Decodificador) → Destino de la Información.
Contexto: Este diagrama representa el flujo general de la información desde su origen hasta su destino, pasando por diversas etapas de procesamiento y el medio físico de transmisión. El ruido puede afectar la señal en el canal.
Componentes de un sistema de comunicación
- Fuente de Información: Genera el mensaje a transmitir (voz, datos, video, etc.).
- Transmisor: Procesa la señal de entrada para producir una señal adecuada para la transmisión a través del canal. Sus funciones incluyen:
- Codificación de Fuente: Reduce la redundancia de la información para una transmisión eficiente (ej. compresión de datos).
- Codificación de Canal: Añade redundancia de forma controlada para detectar y/o corregir errores introducidos por el canal.
- Modulación: Adapta la señal al medio de transmisión, usualmente superponiendo la información sobre una onda portadora de alta frecuencia.
- Canal de Transmisión (Medio): Es el medio físico a través del cual viaja la señal desde el transmisor hasta el receptor. Puede ser guiado (cables, fibra óptica) o no guiado (aire, vacío). Está sujeto a fenómenos como atenuación, distorsión y ruido.
- Receptor: Procesa la señal recibida del canal para recuperar el mensaje original. Sus funciones son inversas a las del transmisor:
- Demodulación: Extrae la señal de información de la onda portadora.
- Decodificación de Canal: Utiliza la redundancia para detectar y/o corregir errores.
- Decodificación de Fuente: Descomprime la información para presentarla al usuario.
- Destino de la Información: Es el usuario o dispositivo final que recibe el mensaje.
- Ruido: Son señales no deseadas que se suman a la señal útil durante la transmisión, degradando su calidad. Puede ser de origen interno (componentes electrónicos) o externo (interferencias).
Modos de Transmisión en las Telecomunicaciones
- Simplex: La comunicación ocurre en una sola dirección. Un dispositivo transmite y el otro solo recibe. Ejemplo: Radiodifusión (TV, radio AM/FM).
- Half-duplex (Semidúplex): La comunicación puede ocurrir en ambas direcciones, pero no simultáneamente. Los dispositivos alternan entre transmitir y recibir. Ejemplo: Walkie-talkies.
- Full-duplex (Dúplex Completo): La comunicación puede ocurrir en ambas direcciones simultáneamente. Ejemplo: Conversaciones telefónicas.
Medios de Transmisión en las Telecomunicaciones
Medios Guiados: Confinan y guían las ondas a través de una ruta física.
- Par Trenzado: Consiste en dos alambres de cobre aislados y trenzados. Usado en telefonía y redes LAN (Ethernet).
- Cable Coaxial: Consiste en un conductor central rodeado por un aislante, una malla conductora y una cubierta exterior. Usado en TV por cable e Internet de banda ancha.
- Fibra Óptica: Transmite señales de luz a través de delgadas hebras de vidrio o plástico. Ofrece gran ancho de banda, baja atenuación e inmunidad a interferencias electromagnéticas. Usado en redes troncales y acceso a Internet de alta velocidad.
- Guías de Onda: Tubos metálicos (generalmente rectangulares o circulares) que guían ondas electromagnéticas de alta frecuencia (microondas). Se detallan en la Unidad 3.
Medios No Guiados (Inalámbricos): Transmiten ondas electromagnéticas a través del espacio libre (aire, vacío).
- Ondas de Radio: Utilizadas para radiodifusión AM/FM, comunicaciones móviles, Wi-Fi, Bluetooth.
- Microondas Terrestres: Usan antenas parabólicas para enlaces punto a punto de alta capacidad. Requieren línea de vista.
- Microondas Satelitales: Un satélite actúa como repetidor entre estaciones terrestres. Cubren grandes áreas geográficas.
- Infrarrojos: Usados para comunicaciones de corto alcance, como controles remotos.
- Ondas Milimétricas: Frecuencias muy altas, usadas en sistemas 5G y radares.
Transmisión y Recepción de Datos en las Telecomunicaciones
La transmisión de datos implica el envío de información (codificada como bits) de un punto a otro mediante señales electromagnéticas. La recepción es el proceso inverso, donde se captura la señal y se decodifica para obtener los datos originales.
Proceso General:
- Los datos digitales se convierten en una señal analógica o digital adecuada para el medio (modulación).
- La señal se propaga a través del medio de transmisión.
- El receptor capta la señal (que puede estar atenuada o con ruido).
- La señal se procesa para recuperar los datos originales (demodulación y decodificación).
Espectro Electromagnético o Espectro de Frecuencias
(Diagrama que muestra: Ondas de Radio de muy baja frecuencia, Radio (AM, FM, TV), Microondas, Infrarrojo, Luz Visible (Rojo, Naranja, Amarillo, Verde, Azul, Violeta), Ultravioleta, Rayos X, Rayos Gamma, indicando el aumento de frecuencia y disminución de longitud de onda de izquierda a derecha).
Es el rango completo de todas las posibles frecuencias de radiación electromagnética. Se extiende desde frecuencias muy bajas (ondas de radio de larga longitud de onda) hasta frecuencias extremadamente altas (rayos gamma de corta longitud de onda).
Cada segmento del espectro tiene propiedades y aplicaciones diferentes. En telecomunicaciones, se asignan bandas de frecuencia específicas para diferentes servicios (radio, TV, telefonía móvil, Wi-Fi, satélites, etc.) para evitar interferencias.
Sintetizador de Frecuencia
Un sintetizador de frecuencia es un circuito electrónico que genera una o varias frecuencias a partir de una frecuencia de referencia fija y estable (generalmente un oscilador de cristal).
Funcionamiento Básico (PLL - Phase-Locked Loop):
- Un oscilador controlado por voltaje (VCO) genera una frecuencia de salida.
- Esta frecuencia de salida se divide por un factor N (programable).
- La frecuencia dividida se compara con la frecuencia de referencia en un comparador de fase.
- La salida del comparador de fase (una señal de error) se filtra y se utiliza para ajustar el voltaje de control del VCO, corrigiendo su frecuencia hasta que la frecuencia dividida sea igual a la de referencia.
- La frecuencia de salida es entonces N veces la frecuencia de referencia. Permite generar múltiples frecuencias precisas y estables.
Filtro en comunicaciones
Un filtro es un circuito diseñado para permitir el paso de señales dentro de un cierto rango de frecuencias (banda de paso) y atenuar o bloquear señales en otras frecuencias (banda de rechazo).
Funcionamiento: Se basan en las propiedades de componentes como resistores (R), inductores (L) y capacitores (C), cuya impedancia varía con la frecuencia. Al combinarlos adecuadamente, se pueden crear circuitos que respondan selectivamente a diferentes frecuencias.
Tipos comunes:
- Filtro Pasa-Bajo: Permite el paso de frecuencias por debajo de una frecuencia de corte.
- Filtro Pasa-Alto: Permite el paso de frecuencias por encima de una frecuencia de corte.
- Filtro Pasa-Banda: Permite el paso de frecuencias dentro de un rango específico.
- Filtro Rechaza-Banda (Notch): Atenúa frecuencias dentro de un rango específico.
Aplicación (Eliminación de Ruido): Si se conoce la frecuencia del ruido, se puede diseñar un filtro para atenuar esa frecuencia específica, "limpiando" la señal deseada.
Ruido en las Telecomunicaciones
El ruido es cualquier señal no deseada que interfiere con la transmisión o recepción de la señal de información. Degrada la calidad de la señal y puede causar errores en la comunicación.
Fuentes de Ruido:
- Ruido Térmico (Johnson-Nyquist): Generado por la agitación térmica de los electrones en los conductores. Presente en todos los componentes electrónicos.
- Ruido de Intermodulación: Generado cuando señales de diferentes frecuencias se mezclan en dispositivos no lineales.
- Diafonía (Crosstalk): Acoplamiento no deseado de señales entre circuitos o canales adyacentes.
- Ruido Impulsivo: Picos de corta duración y alta energía causados por conmutaciones, tormentas eléctricas, etc.
- Interferencia Electromagnética (EMI): Proveniente de otras fuentes de radiación (motores, otras transmisiones).
📡 Unidad 3: Antenas, Guías de Onda, Microondas y Satélites
A. Antenas
Principio de funcionamiento básico de una antena
Una antena es un dispositivo diseñado para transmitir y/o recibir ondas electromagnéticas. Actúa como un transductor, convirtiendo energía eléctrica guiada (corrientes y voltajes en un cable) en ondas electromagnéticas que se propagan por el espacio libre (transmisión), y viceversa (recepción).
- Transmisión: Una corriente eléctrica variable (oscilante) que fluye a través de los conductores de la antena crea campos eléctricos y magnéticos variables en su entorno. Estos campos acoplados se propagan alejándose de la antena como una onda electromagnética.
- Recepción: Una onda electromagnética que incide sobre la antena induce corrientes y voltajes en sus conductores. Esta energía eléctrica puede ser luego procesada por un receptor.
La eficiencia de este proceso depende de la geometría de la antena y su relación con la longitud de onda de la señal.
Tipos de antenas
Antenas de Hilo:
- Dipolo (simple, plegado)
- Monopolo
- Antena Yagi-Uda
- Antena Log-Periódica
- Antena Helicoidal
Antenas de Apertura:
- Antena de Bocina (Horn)
- Antena Parabólica (Reflector Parabólico)
- Antena Ranurada (Slotted)
Antenas de Panel (o Patch/Microstrip)
Arrays de Antenas (Agrupaciones): Combinaciones de múltiples elementos de antena para lograr patrones de radiación específicos (ej. antenas phased array).
Antenas Omni-Direccionales: Radian aproximadamente igual en todas las direcciones en un plano (generalmente horizontal).
Antenas Direccionales: Concentran la radiación en una o más direcciones específicas.
Criterios utilizados para el diseño de las antenas
- Frecuencia de Operación (y Longitud de Onda): Determina el tamaño físico de la antena. Las dimensiones de la antena suelen ser proporcionales a la longitud de onda (λ=c/f).
- Ganancia: Capacidad de la antena para concentrar la potencia radiada en una dirección particular.
- Directividad: Similar a la ganancia, pero sin considerar las pérdidas de la antena. Describe cuán "dirigido" es el haz de la antena.
- Patrón de Radiación: Representación gráfica de cómo la antena radia energía en diferentes direcciones. Define lóbulos principales, lóbulos secundarios, ancho de haz.
- Polarización: Orientación del campo eléctrico de la onda radiada (lineal -vertical, horizontal-, circular, elíptica). La antena transmisora y receptora deben tener polarizaciones compatibles.
- Impedancia: Debe acoplarse a la impedancia de la línea de transmisión y del transmisor/receptor para una máxima transferencia de potencia y mínima reflexión (ROE bajo).
- Ancho de Banda: Rango de frecuencias sobre el cual la antena opera satisfactoriamente (mantiene su ganancia, patrón, impedancia).
- Eficiencia: Relación entre la potencia radiada y la potencia total entregada a la antena. Las pérdidas se deben a la resistencia óhmica de los conductores y pérdidas dieléctricas.
- Tamaño y Forma: Restricciones físicas, estéticas o aerodinámicas.
- Materiales: Conductores (cobre, aluminio), dieléctricos, materiales estructurales. Deben ser adecuados para el entorno (ej. anticorrosivos para exteriores).
- Entorno de Operación: Interior/exterior, condiciones climáticas, presencia de obstáculos.
- Costo y Presupuesto.
- Aplicación Específica: Comunicaciones punto a punto, radiodifusión, radar, móvil, satelital, etc.
Partes que componen una antena (ejemplo Yagi-Uda)
- Elemento Radiante (Activo): Es el componente que se conecta directamente al transmisor o receptor y es responsable de la radiación o captación principal de la energía. En una Yagi, es el dipolo (a menudo un dipolo plegado).
- Elementos Parásitos: No están conectados directamente a la línea de transmisión, pero influyen en el patrón de radiación al re-radiar la energía que reciben del elemento activo.
- Reflector: Elemento ligeramente más largo que el activo, colocado detrás de él. Refleja la energía hacia la dirección deseada.
- Directores: Elementos ligeramente más cortos que el activo, colocados delante de él. Dirigen la energía, aumentando la ganancia en la dirección frontal.
- Soporte (Boom): Estructura mecánica que sostiene y alinea todos los elementos.
- Línea de Transmisión y Conector: Cable (generalmente coaxial) que lleva la señal desde/hacia la antena y el conector para la conexión.
- Sistema de Adaptación de Impedancias (Balun): A menudo necesario para acoplar la impedancia de la antena (balanceada, como un dipolo) a la línea de transmisión (desbalanceada, como un cable coaxial).
Guía de onda: Definición y utilización
Definición: Una guía de onda es una estructura metálica hueca (generalmente de sección rectangular o circular) o una estructura dieléctrica diseñada para confinar y guiar ondas electromagnéticas de alta frecuencia (típicamente en el rango de microondas y ondas milimétricas) a lo largo de una trayectoria específica con mínimas pérdidas.
Utilización:
- Transmisión de alta potencia: Pueden manejar niveles de potencia mucho más altos que los cables coaxiales a frecuencias de microondas.
- Bajas pérdidas: A frecuencias muy altas, las guías de onda tienen menos atenuación que los cables coaxiales.
- Componentes de microondas: Se utilizan para construir filtros, acopladores, atenuadores y otros dispositivos pasivos de RF.
- Sistemas de radar: Para transportar señales de alta potencia entre el transmisor/receptor y la antena.
- Comunicaciones satelitales: En estaciones terrenas y dentro de los satélites.
- Aceleradores de partículas.
- Hornos de microondas.
- Laboratorios y pruebas de RF: Para asegurar condiciones estables de propagación.
- Enlaces de microondas punto a punto.
- Estaciones base de redes móviles (4G, 5G): Para interconectar módulos de potencia con las antenas.
Patrón de radiación de una antena
El patrón de radiación es una representación gráfica (generalmente en coordenadas polares o cartesianas, en 2D o 3D) de las propiedades de radiación de una antena en función de la dirección angular. Muestra cómo la antena distribuye la energía electromagnética que radia (o la sensibilidad con la que recibe) en el espacio que la rodea.
Características Clave del Patrón:
- Lóbulo Principal: Dirección de máxima radiación (o recepción). Es la región donde la antena concentra la mayor parte de su energía.
- Lóbulos Secundarios (o Laterales): Radiaciones más pequeñas en direcciones no deseadas.
- Lóbulos Traseros: Lóbulos secundarios en la dirección opuesta al lóbulo principal.
- Ancho de Haz (Beamwidth): Medida angular de la extensión del lóbulo principal, usualmente definida entre los puntos donde la potencia radiada cae a la mitad de su valor máximo (-3 dB).
- Nivel de Lóbulos Laterales (SLL): Relación entre la potencia del lóbulo principal y la del lóbulo lateral más fuerte, usualmente expresada en dB.
- Relación Delante-Atrás (Front-to-Back Ratio): Relación entre la potencia radiada en la dirección del lóbulo principal y la potencia radiada en la dirección opuesta.
Polarización de una antena
La polarización de una antena se refiere a la orientación del campo eléctrico (vector E) de la onda electromagnética radiada por la antena en una dirección dada, vista desde la antena. Para una antena receptora, describe la orientación del campo eléctrico de la onda que la antena puede recibir de manera más eficiente.
Tipos de Polarización:
- Polarización Lineal: El vector del campo eléctrico oscila a lo largo de una línea recta.
- Vertical (V-pol): El campo eléctrico es vertical con respecto a la Tierra.
- Horizontal (H-pol): El campo eléctrico es horizontal con respecto a la Tierra.
- Polarización Circular (CP): El vector del campo eléctrico rota en un plano perpendicular a la dirección de propagación, describiendo un círculo. La amplitud del campo es constante.
- Circular Derecha (RHCP): Rota en sentido horario vista desde la fuente.
- Circular Izquierda (LHCP): Rota en sentido antihorario vista desde la fuente.
- Polarización Elíptica: El vector del campo eléctrico rota y su amplitud varía, describiendo una elipse. Es el caso más general; la polarización lineal y circular son casos especiales de la elíptica.
Importancia: Para una comunicación eficiente, las antenas transmisora y receptora deben tener la misma polarización (o polarizaciones compatibles). Un desajuste de polarización (ej. transmitir con V-pol y recibir con H-pol) causa una pérdida significativa de señal.
Ganancia de una antena
La ganancia de una antena (G) es una medida que combina su directividad y su eficiencia eléctrica. Indica qué tan bien una antena convierte la potencia de entrada en ondas de radio dirigidas en una dirección específica (transmisión) o qué tan bien convierte las ondas de radio incidentes desde una dirección específica en potencia eléctrica (recepción).
Se define como la relación entre la intensidad de radiación (U) en una dirección dada y la intensidad de radiación que produciría una antena isotrópica (antena ideal sin pérdidas que radia uniformemente en todas las direcciones) alimentada con la misma potencia total.
G(θ,ϕ) = U(θ,ϕ) / (Ptotal / (4π))
Si no se especifica la dirección, se refiere a la ganancia máxima (en la dirección del lóbulo principal).
Se expresa comúnmente en decibelios isotrópicos (dBi) o decibelios relativos a un dipolo de media onda (dBd). (GdBd ≈ GdBi − 2.15dB).
Una antena de alta ganancia concentra la energía en un haz más estrecho, logrando mayor alcance en esa dirección, pero menor cobertura en otras direcciones. No crea energía, solo la redistribuye.
Fórmula conceptual: Ganancia = Eficiencia × Directividad.
B. Microondas
Uso de las microondas en telecomunicaciones
Las microondas son ondas electromagnéticas con frecuencias que típicamente van desde 1 GHz hasta 300 GHz (longitudes de onda de 30 cm a 1 mm). Se utilizan ampliamente debido a su capacidad para transportar grandes cantidades de información y su propagación relativamente direccional.
Aplicaciones Principales:
- Enlaces Terrestres Punto a Punto: Se utilizan antenas parabólicas altamente direccionales para transmitir señales entre dos puntos fijos con línea de vista (ej. torres de repetición). Usados para redes troncales de telefonía, transmisión de datos y señales de TV.
- Comunicaciones por Satélite: Los satélites actúan como estaciones repetidoras en el espacio, recibiendo señales de microondas de una estación terrestre y retransmitiéndolas a otra(s). Permiten comunicaciones a largas distancias y cobertura global para TV, telefonía, datos (VSAT), GPS.
- Redes de Telefonía Móvil: Las microondas se usan para los enlaces de backhaul entre las estaciones base (torres celulares) y la red central.
- Redes Inalámbricas de Área Local (WLAN) y Metropolitana (WMAN): Tecnologías como Wi-Fi (2.4 GHz, 5 GHz) y WiMAX utilizan frecuencias de microondas.
- Radar: (Radio Detection and Ranging) Utiliza pulsos de microondas para detectar la presencia, distancia, velocidad y dirección de objetos. Aplicaciones en aviación, navegación marítima, meteorología, control de tráfico, militar.
- Sensoramiento Remoto: Satélites y aeronaves usan microondas para observar la superficie terrestre, atmósfera y océanos.
- Aplicaciones Industriales, Científicas y Médicas (ISM): Calentamiento por microondas (hornos), diatermia médica.
Frecuencias utilizadas por las microondas
El rango de frecuencias de microondas se define generalmente entre 1 GHz y 300 GHz. Este rango se subdivide en varias bandas designadas por letras (aunque las definiciones pueden variar ligeramente entre diferentes estándares, como IEEE o ITU):
- Banda L: 1 a 2 GHz (GPS, telefonía móvil, Wi-Fi 2.4 GHz parcialmente)
- Banda S: 2 a 4 GHz (Wi-Fi 2.4 GHz, Bluetooth, radares meteorológicos, satélites)
- Banda C: 4 a 8 GHz (Enlaces satelitales (TV), Wi-Fi 5 GHz, algunos radares)
- Banda X: 8 a 12 GHz (Radares militares, comunicaciones espaciales, enlaces terrestres)
- Banda Ku: 12 a 18 GHz (Comunicaciones satelitales (DTH TV, VSAT))
- Banda K: 18 a 27 GHz (Radares, comunicaciones satelitales)
- Banda Ka: 27 a 40 GHz (Comunicaciones satelitales de alta capacidad, radares de alta resolución, 5G)
- Bandas de Ondas Milimétricas (ej. V, E, W, F, D): Por encima de 30 GHz (ej. Banda V: 40-75 GHz, Banda E: 60-90 GHz). Usadas para comunicaciones de muy alta velocidad y corto alcance, 5G, radares automotrices.
Los ejemplos de las imágenes (5 GHz, 10 GHz, 2 GHz) caen dentro de estas bandas (S, C, X).
Características de las estaciones de Microondas
Una estación de microondas es una instalación diseñada para transmitir y/o recibir señales en la banda de frecuencias de microondas.
Características Típicas:
- Antenas Altamente Direccionales: Generalmente antenas parabólicas o de bocina, montadas en torres elevadas para asegurar línea de vista con la estación correspondiente.
- Operación en Alta Frecuencia: Utilizan las bandas de microondas (1 GHz - 300 GHz).
- Línea de Vista (LOS - Line of Sight): La propagación de microondas es principalmente por línea de vista, lo que significa que debe haber una trayectoria despejada entre las antenas transmisora y receptora. Obstáculos como edificios o montañas pueden bloquear la señal.
- Enlaces Punto a Punto: Comúnmente configuran enlaces fijos entre dos estaciones.
- Equipamiento:
- Transmisor: Genera la señal de microondas modulada.
- Receptor: Capta y demodula la señal de microondas.
- Amplificadores: Para aumentar la potencia de la señal transmitida o recibida.
- Guías de Onda o Cables Coaxiales de Bajas Pérdidas: Para conectar los equipos a las antenas.
- Multiplexores/Demultiplexores: Si se transmiten múltiples canales.
- Torres o Mástiles: Para elevar las antenas y superar obstáculos, logrando mayores distancias.
- Alcance: El alcance entre estaciones repetidoras terrestres suele ser de 30-50 km, limitado por la curvatura de la Tierra y la necesidad de línea de vista.
- Afectación por Condiciones Atmosféricas: La lluvia intensa (especialmente a frecuencias más altas, >10 GHz) puede causar atenuación significativa ("rain fade"). La niebla y la refracción atmosférica también pueden afectar la propagación.
C. Satélites de Comunicaciones
Tipos de órbitas de los Satélites
Órbita Terrestre Baja (LEO - Low Earth Orbit):
- Altitud: 160 a 2,000 km sobre la superficie terrestre.
- Período Orbital: Aproximadamente 90 minutos a 2 horas.
- Características:
- Baja latencia (retardo de propagación) debido a la cercanía.
- Los satélites se mueven rápidamente con respecto a un punto en la Tierra, por lo que se necesitan constelaciones de muchos satélites para una cobertura continua.
- Menor potencia de transmisión requerida.
- Huella (área de cobertura) de cada satélite es pequeña.
- Aplicaciones: Observación de la Tierra, algunos sistemas de telefonía satelital (ej. Iridium, Globalstar), Internet satelital (ej. Starlink, OneWeb).
Órbita Terrestre Media (MEO - Medium Earth Orbit):
- Altitud: Entre 2,000 km y 35,786 km (justo debajo de la órbita geoestacionaria).
- Período Orbital: Típicamente entre 2 y 12 horas.
- Características:
- Latencia y huella intermedias entre LEO y GEO.
- Se necesitan menos satélites que LEO para cobertura global, pero más que GEO.
- Aplicaciones: Sistemas de navegación global por satélite (GNSS) como GPS (aprox. 20,200 km), GLONASS, Galileo, BeiDou.
Órbita Geoestacionaria (GEO - Geostationary Earth Orbit) o Geosíncrona Ecuatorial:
- Altitud: Exactamente 35,786 km sobre el ecuador terrestre.
- Período Orbital: 24 horas (igual al período de rotación de la Tierra).
- Características:
- El satélite parece estar fijo sobre un punto del ecuador terrestre.
- Alta latencia (aprox. 250 ms de ida, 500 ms ida y vuelta) debido a la gran distancia.
- Un solo satélite puede cubrir una gran porción de la Tierra (aproximadamente 1/3 de la superficie). Tres satélites GEO espaciados adecuadamente pueden cubrir casi toda la Tierra (excepto regiones polares).
- Las antenas terrestres pueden apuntar de forma fija al satélite.
- Aplicaciones: Radiodifusión de TV y radio, comunicaciones VSAT (Very Small Aperture Terminal) para datos, algunos servicios de telefonía e internet satelital, satélites meteorológicos.
Órbita Altamente Elíptica (HEO - Highly Elliptical Orbit):
- Órbitas con un perigeo (punto más cercano a la Tierra) bajo y un apogeo (punto más lejano) muy alto.
- El satélite pasa la mayor parte de su tiempo cerca del apogeo, moviéndose lentamente sobre una región específica, proporcionando largos periodos de cobertura para latitudes altas (donde los GEO no son efectivos).
- Ejemplo: Órbita Molniya (usada por Rusia para cobertura de regiones polares).
Funcionamiento de la comunicación por satélite
La comunicación por satélite implica el uso de un satélite artificial en órbita como un repetidor de radio en el cielo.
Componentes Clave:
- Estación Terrestre (Uplink): Transmite la señal de información (voz, video, datos) modulada sobre una portadora de microondas hacia el satélite. Utiliza una antena parabólica grande y de alta potencia.
- Satélite:
- Antena Receptora: Capta la señal débil proveniente de la estación terrestre.
- Transpondedor: Es el corazón del sistema de comunicaciones del satélite. Consiste en:
- Un receptor para amplificar la señal recibida (que está muy atenuada por la distancia).
- Un convertidor de frecuencia para cambiar la frecuencia de la señal (para evitar interferencia entre la señal de subida y la de bajada).
- Un amplificador de potencia para aumentar la potencia de la señal antes de retransmitirla.
- Antena Transmisora: Radia la señal procesada de regreso a la Tierra (downlink).
- Sistemas de Soporte: Paneles solares y baterías para energía, sistemas de propulsión para mantener la órbita y orientación (control de actitud).
- Estación Terrestre (Downlink): Recibe la señal del satélite. Puede ser una gran estación de control, una antena de TV satelital doméstica, un terminal VSAT, o un teléfono satelital.
Proceso:
- Una estación terrestre envía una señal de enlace ascendente (uplink) al satélite en una frecuencia específica.
- El satélite recibe esta señal, la amplifica, cambia su frecuencia a una frecuencia de enlace descendente (downlink) diferente, y la retransmite hacia la Tierra.
- Una o varias estaciones terrestres dentro de la huella (área de cobertura) del satélite reciben la señal de downlink.
Ventajas: Amplia cobertura geográfica, útil para conectar áreas remotas, radiodifusión a múltiples usuarios.
Desventajas: Alta latencia (especialmente GEO), costo de lanzamiento y operación, atenuación por lluvia.
Posicionamiento por satélite
El posicionamiento por satélite es una tecnología que permite determinar la ubicación geográfica (latitud, longitud, altitud) de un receptor en cualquier parte del mundo utilizando señales de una constelación de satélites.
Principio de Funcionamiento (Trilateración):
- Cada satélite de la constelación transmite continuamente señales que contienen información sobre su posición orbital exacta (efemérides) y el tiempo preciso de transmisión de la señal (según un reloj atómico a bordo).
- Un receptor GPS/GNSS en tierra capta las señales de múltiples satélites (se necesitan al menos 4 para una posición 3D y corrección del reloj del receptor).
- El receptor mide el tiempo que tarda la señal en viajar desde cada satélite hasta él. Multiplicando este tiempo por la velocidad de la luz, calcula la distancia (pseudodistancia, ya que incluye errores de reloj) a cada satélite.
- Conociendo la posición de cada satélite y la distancia a él, el receptor puede determinar su propia posición. Geométricamente, la posición del receptor es la intersección de esferas, donde cada esfera está centrada en un satélite y tiene un radio igual a la distancia medida a ese satélite.
- La señal del cuarto satélite (y subsiguientes) se utiliza para resolver la ambigüedad del tiempo y sincronizar el reloj (menos preciso) del receptor con los relojes atómicos de los satélites, mejorando la precisión de la posición.
- Se requieren correcciones por efectos atmosféricos (ionosfera, troposfera) y errores relativistas para lograr alta precisión.
Principales sistemas globales de navegación por satélite
GPS (Global Positioning System):
- Operado por los Estados Unidos (Fuerza Espacial de EE. UU.).
- Constelación de aproximadamente 31 satélites operativos en órbita MEO.
- Proporciona servicios de posicionamiento, navegación y temporización (PNT) a nivel mundial.
- Ofrece diferentes niveles de servicio (uno para uso civil, otros para uso militar).
GLONASS (Globalnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema):
- Operado por Rusia (Fuerzas Espaciales Rusas).
- Constelación de aproximadamente 24 satélites operativos en órbita MEO.
- Alternativa y complemento al GPS. Muchos receptores modernos pueden usar señales de GPS y GLONASS.
Galileo:
- Operado por la Unión Europea (a través de la Agencia de la Unión Europea para el Programa Espacial - EUSPA).
- Constelación diseñada para unos 30 satélites (operativos y de repuesto) en órbita MEO.
- Sistema civil global, ofrece alta precisión y servicios mejorados.
BeiDou (BDS) (Sistema de Navegación por Satélite BeiDou):
- Operado por China.
- Inicialmente un sistema regional, ahora expandido a cobertura global.
- Constelación que incluye satélites GEO, IGSO (Órbita Geosíncrona Inclinada) y MEO.
Otros Sistemas Regionales:
- QZSS (Quasi-Zenith Satellite System): Sistema regional japonés, diseñado para complementar y mejorar la precisión del GPS en Japón y regiones cercanas.
- IRNSS (Indian Regional Navigation Satellite System) / NavIC (Navigation with Indian Constellation): Sistema regional indio.
D. Guías de Onda (Detalles Adicionales)
Tipos de Guía de Onda Según su Geometría:
- Guía de onda Rectangular: Sección transversal rectangular metálica hueca. Es el tipo más común. El modo dominante es el TE10.
- Guía de onda Circular: Sección transversal circular metálica hueca. Soporta modos TE y TM, siendo el TE11 el modo dominante. Puede usarse para polarización circular.
- Guía de onda Ranurada (Slotted): Guías metálicas (generalmente rectangulares) con ranuras cortadas en su superficie. Las ranuras actúan como elementos radiantes, permitiendo que la guía funcione como una antena direccional lineal.
- Guía de onda Dieléctrica: Utilizan materiales dieléctricos para confinar la onda. El ejemplo más conocido es la fibra óptica, que guía luz.
- Guía de onda Coaxial (Línea Coaxial): Aunque a menudo se considera una línea de transmisión, también guía ondas electromagnéticas (principalmente en modo TEM). Consiste en un conductor central rodeado por un dieléctrico y un conductor externo.
Modos de Propagación en Guías de Onda:
Son las diferentes configuraciones de campo eléctrico y magnético que pueden existir y propagarse dentro de la guía.
- Modo TE (Transversal Eléctrico): El campo eléctrico (E) es completamente transversal (perpendicular) a la dirección de propagación, pero hay un componente del campo magnético (H) en la dirección de propagación.
- Modo TM (Transversal Magnético): El campo magnético (H) es completamente transversal a la dirección de propagación, pero hay un componente del campo eléctrico (E) en la dirección de propagación.
- Modo TEM (Transversal Electromagnético): Tanto el campo eléctrico como el magnético son completamente transversales a la dirección de propagación. Este modo no puede propagarse en guías de onda metálicas huecas simples, pero sí en líneas de transmisión con dos o más conductores (ej. cable coaxial, par trenzado).
Cada modo (ej. TEmn, TMmn) tiene una frecuencia de corte por debajo de la cual no puede propagarse. La guía de onda actúa como un filtro pasa-alto.
El modo dominante es aquel con la frecuencia de corte más baja.
Ventajas de las Guías de Onda:
- Menor pérdida de señal (atenuación) a altas frecuencias en comparación con cables coaxiales.
- Alta capacidad para manejar potencias elevadas.
- Inmunidad al ruido electromagnético externo (blindaje inherente).
- Dispersión mínima de la señal (para ciertos modos).
- Robustez mecánica.