Comunicación por satélite: ¿Qué es una portadora?

Carlos Duarte Muñoz

Fecha: 2014-05-01


Antes de hablar de la parte fuerte de las telecomunicaciones hay que ubicarnos en lo que significan ciertas cosas como son anchos de banda, frecuencias, amplitud y algunos términos más.
 
Vayamos al inicio, cuando hablamos, estamos emitiendo desde nuestra boca una gama de frecuencias que hacen que se formen palabras, y con ellas va la intensidad de la voz, hay quienes hablan muy fuerte o muy bajito, esto implica en las ondas la AMPLITUD, lo que hace que una persona hable con voz gruesa o aguda es la FRECUENCIA en que hablan, esto en principio ya lo comprendemos por nuestra propia vivencia, cada persona tiene la capacidad de hablar y oír la voz desde agudos a graves, El sonido de la voz humana contiene aproximadamente frecuencias entre 100 Hz y los 10000 Hz,en la telefonía se le asigna la banda de 300 a 3,400 Hz.y por otra parte, el oído humano puede captar sonidos desde 20 hasta 20,000 Hz. Esta distancia entre la frecuencia mínima y máxima es el ANCHO DE BANDA.
 
Cuando hablamos y nos están escuchando es porque el transmisor y el receptor están sintonizados, o sea el oído tiene la capacidad de captar ese ancho de banda, pero cuando hay muchas personas hablando a unísono, la capacidad de captar el mensaje se va disminuyendo debido a que mismas frecuencias se están sobreponiendo y el oído no tiene la capacidad de separar los sonidos que desea recibir.
 
Cuando la información es voz o cualquier señal con un ancho de banda directamente del emisor sin habérsele hecho ningún tratamiento electrónico se denomina BANDA BASE, pero muchas señales en la misma banda base, no permite comprensión del mensaje.
 
Por este motivo, para trasladar los anchos de banda de canales de información como sería la voz, a una zona donde pueda solo captarla un receptor sintonizado, es que se MODULA, lo que significa trasladarla a una zona del espectro radioeléctrico en la cual no comparta canal con otro usuario y así, asegurar que el receptor nos esté captando la señal que se desea. La frecuencia a donde se traslada, se denomina portadora, la información se encuentra en un canal el cual cuenta con su ancho de banda.
 
Fue durante el siglo XIX , cuando James Clerk Maxwell, formuló las ecuaciones llamadas "ecuaciones de Maxwell", y que se definen como las relaciones fundamentales entre las perturbaciones eléctricas y magnéticas, que simultáneamente permiten describir la propagación de las ondas electromagnéticas que, de acuerdo con su teoría, tienen el mismo carácter que las ondas luminosas. Más tarde Heinrich Hertz lograría demostrar experimentalmente la veracidad de las tesis expuestas por Maxwell. Sus teorías constituyeron el primer intento de unificar dos campos de la física que, antes de sus trabajos, se consideraban completamente independientes: la electricidad y el magnetismo (conocidos como electromagnetismo). Y gracias a ellas se logra la propagación del campo eléctrico, al hacerlo variar respecto al tiempo mediante ondas sinusoidales, que a su vez generaban campo magnético variable respecto al tiempo y permitían propagar el campo electromagnético a través del espacio o algún medio.
 
En Telecomunicaciones, una señal portadora es una onda electromagnética sinusoidal de frecuencia constante que sirve para trasladar en el espectro radioeléctrico una señal y transmitir información a partir de sobreponerle la señal de información que se desea trasmitir, con la señal portadora en la frecuencia que se desea colocar..Las ondas electromagnéticas están compuestas de Campo eléctrico y Campo Magnético y tienen AMPLITUD ,FRECUENCIA (antes definidas) y FASE que indica la situación instantánea en el ciclo, de una magnitud que varía cíclicamente, siendo la fracción del periodo transcurrido desde el instante correspondiente al estado tomado como referencia.
 
Esta sobre posición se logra variando algún parámetro de la onda como su intensidad, su frecuencia, su fase o por otros medios. A esta variación se le llama modulación. Algunos tipos de modulación analógica incluyen la modulación de amplitud (AM), la modulación de frecuencia (FM), y la modulación de fase.

 

 

La onda electromagnética de acuerdo a las ecuaciones de Maxwell, consta de dos componentes: el Eléctrico y el Magnético , en el campo eléctrico viaja la información de modo sinusoidal, y a variaciones del campo eléctrico con respecto al tiempo, se produce el campo magnético que “empuja” el campo para que se propague en el espacio o en algún medio donde se transmita, y campo eléctrico y campo magnético , están siempre en ángulos ortogonales entre si y a su vez ambos son perpendiculares a la dirección de propagación. Por convención, el campo eléctrico determina la dirección de polarización de la onda.

 

 

Las señales electromagnéticas se transmiten en el vacío a la velocidad de la luz (300,000 Km/seg) y poseen una longitud de onda dada por la siguiente expresión:
L= c/f
 
donde L es la longitud de onda en metrosc la velocidad de la luz en metros por segundo (300,000,000 m/seg)f la frecuencia en Hertz (ciclos por segundo).

 

 

La longitud de onda es una característica física de la señal electromagnética. Es la distancia entre dos crestas sucesivas de la señal. Su tamaño es inversamente proporcional a la frecuencia, por lo que ondas de alta frecuencia tienen longitudes de onda menores a las ondas de baja frecuencia. La siguiente tabla muestra la relación entre frecuencia y longitud de onda para frecuencias del espectro de radio que se usa en la comunicación satelital:

 

 

El tamaño de la longitud de onda de una señal electromagnética es determinante en la interacción de la onda con la materia. Así, las frecuencias bajas -30 MHz- podrán dar la vuelta a obstáculos del orden de metros, mientras que las ondas de frecuencia muy alta -30 GHz- tendrán dificultad por pasar por las nubes, por ejemplo y rebotarán en montañas y edificios. Asimismo, la ionosfera (una capa de la atmósfera cargada de iones, impide el paso de ondas electromagnéticas de baja frecuencia). La siguiente figura muestra las ventanas de la atmósfera para la radiación electromagnética en relación a su frecuencia.

 

 

Cada portadora define un canal de comunicación
 
Al usar una frecuencia determinada como portadora es posible transmitir diferentes señales por el mismo medio sin que interfieran entre sí. Una manera de entender esto es suponer que las frecuencias portadoras son luces de diferentes colores. Las señales de diferentes emisores pueden viajar por el mismo medio y al llegar a su destino, el usuario puede separar cada señal utilizando el filtro de color adecuado. Las señales transmitidas en rojo se recuperarán con un filtro rojo, las señales transmitidas en azul serán separadas por un filtro azul y así sucesivamente, de tal manera que podemos utilizar el mismo canal para enviar varias señales simultáneamente.
 
Así, la frecuencia de la portadora es una de las propiedades de un canal de comunicación. La capacidad de transmitir información de un canal es proporcional al ancho de banda que permite pasar el canal. El ancho de banda es la diferencia entre la frecuencia más alta y la más baja que transmite el canal. Generalmente el ancho de banda está centrado en la portadora, aunque no necesariamente. Para explicar esto veamos un ejemplo. Una portadora tiene una frecuencia de 1,000 MHz y un ancho de banda centrado en la portadora de 2 MHz. Esto quiere decir que las frecuencias que transmitirá este canal están comprendidas entre 999 MHz y 1,001 MHz. Para que este canal funcione, ningún otro transmisor puede transmitir en ese rango de frecuencias en el medio de transmisión, ya que de hacerlo se produciría interferencia y no se podrían separar las señales de los dos canales. Así, un canal es un rango de frecuencias único asociado con un medio de comunicación, al que tiene derecho de uso un solo transmisor en un momento dado.

 

 

Ancho de banda
 
Entre mayor es el ancho de banda de un canal, mayor será la capacidad del canal para transmitir información. Existe una relación directa entre los dos parámetros dada por el Teorema de Shannon-Hartley:
 
C= B log2( 1 + S/N)
 
donde:
C= es la máxima capacidad para transmitir información sin error en bits/seg
B= el ancho de banda en Hertz
S= Potencia de la señal (Watts)
N= Potencia del ruido que trata de enmascarar la señal (Watts)
log2 Logaritmo en base 2
 
Esta relación nos dice que a mayor ancho de banda y mayor potencia de la señal con respecto al ruido, mayor es la capacidad del canal. Cabe apuntar que este teorema nos da el límite máximo de transmisión de datos de un canal, mas no nos dice cómo alcanzarlo.
 
De acuerdo a lo anterior, entre más alta sea la frecuencia de la portadora, mayor será el ancho de banda que puede transmitir ya que el ancho de banda será una fracción menor de la frecuencia portadora. Por ejemplo si nuestra portadora es de 10 MHz, un ancho de banda de 2 MHz montado en esa portadora significa que el rango de frecuencias a transmitir, si está centrado en la portadora es de 9 a 11 MHz. Por otro lado, si nuestra portadora es de 1000 MHz, como ya vimos, el rango de frecuencias para acomodar un canal de 2 MHz centrado en la portadora es de 999 MHz a 1001 MHz.
 
Así, si queremos mayor capacidad de transmisión de información, nos interesa utilizar portadoras con frecuencias altas. Sin embargo, el usar frecuencias más altas requiere de más potencia de transmisión, ya que para una amplitud dada, la potencia necesaria para transmitir una onda electromagnética es proporcional a la frecuencia. Además, cada frecuencia del espectro electromagnético se comporta de distinta manera al interactuar con la materia. Las frecuencias muy altas tienden a ser desviadas, reflejadas y bloqueadas por la materia y en el caso de los satélites de comunicaciones, por las nubes. Por otro lado, las frecuencias bajas, como las de la banda VHF pueden darle vuelta a obstáculos y atravesar la materia, pero pueden de requerir antenas muy grandes y voluminosas.
 
Además, el uso de bandas de frecuencia para aplicaciones satelitales es un asunto complicado que requiere de la coordinación y la planificación internacional que está regulado por la Unión Internacional de Comunicaciones, ITU, por sus siglas en inglés. La ITU divide al mundo en tres regiones:
 
Región 1: Europa, África y Mongolia
Región 2: Norte y Sur América y Groenlandia
Región 3: Asia ( excluyendo las áreas de la Región 1), Australia y el Pacífico sudoccidental.
 
Dentro de estas regiones, las bandas de frecuencia se asignan a los diferentes servicio por satélite, algunos de los cuales se mencionan a continuación:
 
Servicio fijo por satélite: Proporciona enlaces para las empresas telefónicas y ​​para la transmisión de señales de televisión a las compañías de cable.
Servicio de radiodifusión por satélite: Proporciona radiodifusión directa a los hogares
Servicios móviles por satélite : Incluye los servicios de: comunicación móvil terrestre, móvil marítima y móvil aeronáutico
Servicios de satélites de navegación: Incluye Sistemas de Posicionamiento Global.
Servicios de satélites meteorológicos: Se utilizan con frecuencia para realizar servicios de búsqueda y del rescate.
 
A continuación se presentan las bandas de frecuencia satelitales y algunos de los servicios típicos a los que están asignadas.

 

 

Así, la selección de las frecuencias portadoras para cada aplicación es el resultado de encontrar un balance entre ancho de banda, requerimientos de potencia, consideración de la interacción entre la portadora y la atmósfera, y sobre todo la disponibilidad otorgada por la ITU.



Etiquetas: Satélitales,Comunicación,Señales,Frecuencia,Portadora,Espectro electromagnético

Revista Hacia El Espacio de divulgación de la ciencia y tecnología espacial de la Agencia Espacial Mexicana.




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