Caracteristicas y efectos del medio de propagación

.1 angulos de elevación y azimut

Para orientar la antena de una estación terrena en la dirección correcta hacia donde esta el sateliute con el que desea comunicarse, se definen los angulos de elevación y azimut. Estos angulos son medidos tomando como referencia a la línea sobre la cual la antena tiene ganancia máxima, y en el caso de una antena parabólica, dicha referencia es el eje del plato parabólico. Este eje contiene al vértice y al foco. El angulo de elevación se define como el angulo formado entre el plano horizontal local y la línea de vista entre la estación terrena y el satélite.

El modelo de azimut es el angulo medido en el sentido de las manecillas del reloj entre la línea que une a la estación terrena con el norte geográfico y la proyección horizontal local de la línea de máxima radiación de la antena que debe apuntar en la dirección hacia el satélite.

Las formulas a las que se llega finalmente para calcular estos angulos son, para el angulo de elevación:

Estas formulas anteriores suponen que la latitud del satélite es exactamente . Si se usa una brújula como instrumento manual para orientar la antena, hay que tomar en cuenta la declinación magnética correspondiente al lugar geográfico en donde este la estación. Recuérdese que la brújula mide el angulo que hay entre el eje magnético de la tierra y cualquier línea visual. Por ello en algunas ocaciones es necesario realizar un ajuste.

.2 rango

La distancia que hay entre una estación terrena y un satélite se denomina rango. Esta distancia puede ser calculada a partir de lo siguiente:

A los angulos y se les llama respectivamente: “angulo de cobertura o central” y “angulo de nadir”. El angulo de cobertura se obtiene como:

es la latitud de la estación terrena y es el valor absoluto de la diferencia de longitudes del satélite y la estación terrena. Conociendo el rango S es igual a:

Para mayor exactitud, habría que tomar en cuenta la altitud de la estación sobre el nivel del mar.

.3 el efecto Doppler

El efecto recibe este nombre en honor al físico austriaco christian doppler, quien explico y cantifico el fenómeno de porque la frecuencia de las ondas sonoras cambiaban en un punto receptor fijo cuando la fuente que originaba dichos sonidos se movían con relación al receptor.

El efecto doppler es explotado técnicamente por los sistemas satelitales de navegación y localización. Este sistema también es usado por la estación espacial internacional que orbita la tierra, para calcular con presiscion su posición relativa con relación a los satélites geoestacionarios de la NASA.

La ecuación que relaciona matemáticamente a la frecuencia original del transmisor , con la frecuencia detectada por un receptor , en función de la velocidad a la que el transmisor se acerca o se aleja del receptor es:

En donde es la componente de la velocida del transmisor en la dirección hacia el receptor y es la velocidad de la luz. Si el transmisor se aleja del receptor es negativa y la frecuencia disminuye.

El efecto doppler ocurre tanto en el enlace de subida como de bajada.

.4 atenuacion por absorción atmosférica

Cuando las frecuencias de transmisión son lo suficientemente altas, las ondas electromagnéticas interactúan con las moléculas de los gases en la atmosfera.

Estas interacciones reducen la potencia de las señales conforme atraviesan la atmosfera, y se intensifican en las frecuencias de resonancia del vapor de agua (), Oxigeno () y bióxido de carbono ().

La Union Internacional de Telecomunicaciones ha asignado para los satélites de comunicaciones (1 a 30 GHz) fueron cuidadosamente elegidas para evitar las zonas de mayor atenuación.

La atenuación total acumulada depende de la longitud exacta del trayecto de la señal de las campas atmosféricas responsables de esta absorción, depende del angulo de elevación de la estación terrena, de la altitud a la que esta sobre el nivel del mar, la temperatura y la densidad del vapor de agua.

Para estimar la absorción atmosférica se utiliza la siguiente formula:

En donde es el angulo de elevación de la antena terreste, es la lectura obtenida y es la atenuación por absorción atmosférica para ese angulo de elevación .

.5 atenuación por lluvia

Cuando llega a llover en la zona donde está instalada una estación terrena, ya sea transmisora o receptora, las señales portadoras son atenuadas conforme se propagan a través de la región del aire en donde este lloviendo. La distancia total que las señales viajan a través del fenómeno meteorológico depende de la altura de las nubes con relación al piso y del ángulo de elevación de la antena de la estación.

Existen 2 tipos de grupos o tipos de modelos para predecir la atenuación por lluvia: empíricos y teóricos. Los empíricos se basan en obtener curvas que coincidan o se asemejen a las gráficas obtenidas con los datos previamente medidos. Los modelos teóricos, están fundamentados en las distribuciones esperadas de los tamaños de las gotas para cada intensidad de lluvia.

De acuerdo con diversos estudios, se ha visto que una señal no es afectada por la lluvia de la misma forma en toda su trayectoria a través de ella, ni durante todo el tiempo que llueve y, además, la distribución del agua no es uniforme.

La atenuacion buscada se calcula como:

La atenuacion por lluvia no solamente influye en la intensidad de potencia de una señal portadora de información, sino que también introduce muchoruido en el enlace, degradando aun mas la calidad de la señal que finalmente es recibida. Por ello, se diseña un enlace o u a red, se define la disponibilidad deseada, se calcula la atenuacion por lluvia correspondiente, se evalua su impacto sobre la temperatura de ruido del sistema y establecer un buen margen de operación, para que, cuando llueva el cociente de portadora y el ruido no se degrade a niveles insatisfactorios. A este diseño se le llama margen de lluvia.

.6 el efecto Faraday

Este efecto consiste en la desviación indeseable de la dirección del campo eléctrico de una señal de microondas cuya polarización es lineal. El giro del vector de campo eléctrico, conocido como rotación de Faraday, ocurre cuando la señal atraviesa las capas de la ionosfera, que están cargadas eléctricamente debido a la radiación solar.

El efecto Faraday es importante en las bandas UHF , L y C, pero en las banda y deja de ser un problema. El giro del campo eléctrico que sucede en las bandas inferiores usadas para comunicaciones satelitales se debe a la interaccion energética entre las partículas cargadas o ionizadas de la ionosfera, el campo magnético terrestre y las ondas electromagnéticas. Mientras la ionosfera este mas cargada eléctricamente, la rotación de Faraday será mayor.

El que la dirección del campo eléctrico de una señal satelital se desvie tiene dos consecuencias:

1) la potencia que llega en la polarización deseada a la antena receptora disminuye, siendo este un efecto de perdida en la señal copolarizada.

2) Si el enlace utiliza polarización simultanea, resulta en la creación de una componente de ruido con polarización cruzada.

La perdida de potencia en la señal copolarizada se reduce a:

Y la magnitud de la componente de polarizacio cruzada es:

Entonces la perdida de potencia esta dada por:

Al fenómeno anterior también se le conoce como despolarización de la señal.

La señal con polarización horizontal produce una componente con polarización cruzada que se suma como ruido a la señal original de polarización vertical, y, a la inversa, esta ultima origina una componente horizontal que se añade a la señal original de polarización horizontal, a este fenómeno se le denomina habitualmente transpolacion.

Estas señales sufren de interferencia, y esta se mide calculando la discriminación por polarización cruzada o el aislamiento por polarización cruzada.

La discriminación por polarización cruzada se calcula:

el aislamiento por polarización cruzada se calcula:

Mientras mayor sea el valor APX, habrá menos interferencia y el sistema de comunicaciones funcionara mejor.

.7 despolarizacion causada por la lluvia

El efecto Faraday ocurre en todo momento, pero cuando llueve en la troposfera, las señales que pasan a través de ella también son despolarizadas. El grado de despolarización es función de la forma oblada y la orientación de las gotas de lluvia, de la frecuencia y polarización de la onda, y de la intensidad de la lluvia o numero de gotas en el trayecto de propagación.

Estas son las principales características en cuanto ala discriminación polarizada cruzada:

1- DPX empeora al disminuir la frecuencia.

2- DPX se degrada si la atenuacion copolar aumenta.

3- DPX para una onda polarizada verticalmente es mejor que para una con polarización horizontal.

4- Las ondas polarizadas circularmente tienen una DPX mas baja.

La formula empírica mas reciente para calcular la magnitud de la discrininacion de polarización cruzada, DPX:

.8 otros factores de deterioro por propagación

Además del efecto doppler y la influencia del medio de propagación sobre la magnitud y la polarización de las señales satelitales, existen otros efectos que la troposfera y la ionosfera tienen sobre dichas señales, que pueden llegar a deteriorarlas más.

En la troposfera ocurren los siguientes fenómenos: atenuacion por absorción atmosférica, atenuacion por lluvia, atenuacion adicional por las nubes, la niebla, el granizo y la nieve, despolarización por lluvia y por cristales de hielo en la atmosfera, y cambios de amplitud, fase y angulo de llegada causados por centelleo troposférico.

La atenuación a través del granizo, nubes, niebla y nieve son despreciables abajas frecuencias; la despolarización causada por los cristales de hielo es muy pequeña; el centelleo consiste en fluctuaciones rapidas de la amplitud, la fase y el angulo de llegada de las microondas. Es producido por los cambios que hay en el índice de refracción a nivel pequeña escala en la troposfera, también ocurre en la ionosfera, a veces se le refiere al centelleo como multitrayectoria atmosférica, pues las ondas llegan al receptor desde diferentes trayectorias.

En lo que se refiere a la ionosfera, los principales fenómenos que produce sobre las ondas satelitales son la rotacon de Faraday y, una vez mas,centelleo. Sin embargo, el centelleo ionosferico disminuye con el cuadrado de la frecuencia, solo es importante a frecuencia menores.

Una opción que puede servir como remedio a los daños por despolarización es emplear diversidad, con estaciones separadas entre si una cierta distancia, y la otra es usar una técnica de compensación de despolarización adaptiva.

.9 tiempo de retardo y latencia

El tiempo de retardo es el tiempo total que la señal tarda en subir desde la tierra hacia el satélite y viceversa, se calcula:

En donde S es el rango o distancia en km entre la estación terrena transmisora o receptora y el satélite y c es la velocidad de la luz (299,792 km/s). un promedio aproximado arroja la cifra de 0.125 s.

En el caso de una conversacion telefónica, es necesario usar canceladores de eco para evitar posibles molestias auditivas en el transmisor causadas por señales reflejadas en el receptor. El tiempo total transcurrido en el que se efectua la comunicación es de cerca de medio segundo. A este tipo de lazo, que comprende dos enlaces ascendentes y dos descendentes, se le llama “simple salto” o “salto unico”. Existen casos en los que el retardo es aun mayor, cuando se emplea un “doble salto”.

En los sistemas d etransmision de datos con accesos son mas importantes las variaciones en el tiempo de retardo que el propio tiempo de retardo. Se considera la derivada del rango con relación al tiempo.

Los circuitos terrestres entre las estaciones terrenas y sus puntos de origen y destino también introducen cierto retraso que se suma a la ecuación:

En donde un valor típico promedio es de 30ms, el coeficiente de 0.004 es equivalente a una velocidad de propagación de solo 250,000 km/s, ya que en los cables las señales viajan a menor velocidad que la luz.

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