PROYECTO CHASQUI-EEJ -...

Radio Observatorio de Jicamarca

Instituto Geofísico del Perú

PROYECTO CHASQUI-EEJNADIA YOZA, RICARDO ALONSO

I+D&I

NOVIEMBRE, 2011

I+D&I RADIO OBSERVATORIO DE JICAMARCA

RESUMEN

El Electrochorro Ecuatorial (Equatorial ElectroJet, EEJ por sus siglas en inglés) es unacorriente horizontal de electrones que uye a lo largo del Ecuador magnético, alrededor delos 100 km de altura en la ionosfera, la cual puede ser empleada como medio alternativo paraestablecer enlaces de radio-comunicaciones punto a punto por dispersión frontal utilizando labanda de VHF.

El proyecto consiste en el diseño e implementación de un enlace prototipo para comuni-caciones en modo half-duplex de voz y datos entre dos estaciones ubicadas en el territorioperuano a través de la radiopropagación en el Electrochorro Ecuatorial usando una frecuenciacercana a los 30 MHz.

Con esta nalidad se empleará un sistema basado en la tecnología Software-Dened Radio,que permite implementar mediante software partes que típicamente estaban implementadasen hardware, de modo que sea posible implementar diversas técnicas de modulación y trans-misión con el objetivo de mejorar la calidad de las comunicaciones vía EEJ de una maneraexible y escalable. Para ello se usará la librería GNU Radio y la tarjeta USRP (de la com-pañía Ettus Research LLC). En este documento se mostrarán los programas desarrolladostanto para las comunicaciones de voz como de datos, así como el diseño y conguración delenlace. Además, con la nalidad de probar dichos programas y el sistema a emplear sin necesi-dad de implementar físicamente el enlace, se usará el simulador de comunicaciones vía EEJpreviamente implementado, tras lo cual se procederá a realizar las pruebas de campo entredos estaciones, cuyos resultados serán también presentados en este documento.

Apartado 13-0207, Lima 13, PerúTeléfono (+51-1) 317-2313 Fax (+51-1) 317-2312

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ÍNDICE

1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

2. Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

3. Descripción del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.1. Objetivos del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.2. Diseño del enlace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.3. Descripción del hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3.3.1. Subsistema de transmisión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.3.2. Subsistema de recepción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

3.4. Análisis de ganancias y atenuaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83.5. Descripción del software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.6. Descripción de las modulaciones empleadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.6.1. Modulación FM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.6.2. Modulación GMSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

4. Programa de comunicaciones de voz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154.1. Descripción del programa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

4.1.1. Etapa de transmisión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154.1.2. Etapa de recepción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

4.2. Implementación de diversidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

5. Programa de comunicaciones de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195.1. Descripción del programa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

5.1.1. Etapa de transmisión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205.1.2. Etapa de recepción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

6. Simulaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236.1. Simulación de comunicaciones de voz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246.2. Simulación de comunicaciones de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

7. Pruebas preliminares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287.1. Descripción del enlace empleado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297.2. Descripción del sistema empleado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307.3. Descripción de las pruebas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

7.3.1. Pruebas de comunicaciones de voz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357.3.2. Pruebas de comunicaciones de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

7.4. Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367.4.1. Pruebas de comunicaciones de voz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367.4.2. Resultados de las pruebas de comunicaciones de datos . . . . . . . . . . . . . . . . 38

8. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

9. Recomendaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

A. Anexo 1: Resultados de las pruebas de comunicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43A.1. Resultados de las pruebas de comunicaciones de voz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43A.2. Resultados de las pruebas de comunicaciones de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44


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B. Anexo 3: Historial del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45B.1. Pruebas de las simulaciones realizadas con diferentes tipos de modulaciones digitales . . . 45B.2. Truncamiento de la señal demodulada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46B.3. Diferencia entre los relojes de los equipos USRP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48B.4. Estructura original del paquete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48B.5. Métodos para la remoción de la componente continua. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

B.5.1. Método 1 para la remoción de la componente continua. . . . . . . . . . . . . . . . 50B.5.2. Método 2 para la remoción de la componente continua. . . . . . . . . . . . . . . . 51

B.6. Potencia de transmisión del programa de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54B.7. Pérdida de paquetes de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54B.8. Reubicación del bloque de interpolación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55B.9. Problemas encontrados (4 de mayo del 2011) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56B.10.Generación de los glitches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57B.11.Interferencias en las pruebas de comunicaciones de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61


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PROYECTO CHASQUI-EEJ

1. Introducción

El Electrochorro Ecuatorial (EEJ, Equatorial Electrojet) es una corriente horizontal de electrones queuye a lo largo del ecuador magnético, el cual atraviesa el territorio central del Perú y de otros pocospaíses. Comprende un ancho de 600 km en la dirección norte-sur centrado en el ecuador magnético, loque equivale a ± 3° de latitud magnética, y está connado a una delgada capa a 100 km de altura, en laionósfera [?]. Esta ubicación favorece el estudio de este fenómeno en nuestro país, por lo cual, desde ladécada de 1950, ha sido objeto de experimentos que conrman su potencial como medio alternativo decomunicación por dispersión frontal usando frecuencias de la banda VHF, pero que hasta la fecha no seha logrado explotar de manera sistemática.

Para la propagación de ondas de radio a través del EEJ se requiere la existencia de línea de vistaentre el EEJ y cada una de las dos estaciones que se desean comunicar, además de que se cumpla lacondición de Bragg, la cual establece que la diferencia de los vectores unitarios incidente y dispersado seaperpendicular al campo magnético, el cual está alineado con el plano que contiene las irregularidades delEEJ. Por este motivo, la geometría del enlace establece una separación máxima de 2000 km entre las dosestaciones, la cual se ve limitada por la curvatura de la Tierra y la altura a la que se encuentra el EEJ[2].

De manera estacional, la intensidad del EEJ se caracteriza por ser mayor durante los equinoccios quedurante los solsticios y, de manera temporal, dicha intensidad es mayor durante las horas del día quedurante la noche. Se ha comprobado en los experimentos realizados que, a mayor intensidad del EEJ, seobtendrá una mejor calidad de comunicaciones. Por este motivo, para las condiciones de diseño y potenciaempleadas, solo ha sido posible establecer comunicaciones en horas diurnas, en las que los ecos del EEJson más intensos.

Las comunicaciones vía el EEJ se caracterizan por la presencia de desvanecimientos [3]. Éstos seproducen de manera aleatoria, por lo cual se contempla el empleo de técnicas de diversidad para mejorarla calidad de la señal recibida. Esta técnica consiste en la transmisión de la misma información a travésde dos o más caminos radioeléctricos distintos. Cada uno de ellos se ve afectado de forma independientepor los desvanecimientos, por lo que se busca proporcionar al receptor versiones no correlacionadas dela misma señal transmitida, las cuales serán combinadas nalmente para conseguir una señal de mayorcalidad que las originales.

2. Antecedentes

A partir de los experimentos de comunicaciones vía EEJ se han obtenido importantes conclusiones.Se observó por ejemplo que las comunicaciones empleando Banda Lateral Única (BLU) se caracterizanpor presentar lloriqueos, los cuales degradan la calidad de la señal recibida. Por otro lado, la modu-lación FM es la que ofrece una mayor inteligibilidad de las comunicaciones, pero éstas son afectadas pordesvanecimientos [3].

En 1975, Valladares y Woodman [4] desarrollaron una técnica de simulación análogo-digital de comu-nicaciones de voz vía EEJ basada en un modelo matemático del canal y del sistema de comunicaciones.Esta técnica permitió estudiar la calidad de los comunicados sin necesidad de implementar físicamente elenlace. Se simuló exitosamente la transmisión de voz modulada en FM, con lo cual se generaron audioscaracterizados por presentar desvanecimientos, de manera similar a los experimentos previos.

Posteriormente, Chocos [2] estableció un enlace de comunicaciones vía EEJ entre Jicamarca y Paracasen el cual se empleó radio-transceptores usados por radioacionados. Se transmitió voz con distintos tiposde modulación analógica: AM, BLU y FM, con lo cual se comprobó que con esta última es posible alcanzaruna mejor calidad, aunque distorsionada por desvanecimientos. Se transmitió también datos con el modoPSK31, con el que fue posible obtener una buena inteligibilidad de los comunicados aun en condiciones debajo SNR. Además, en estas pruebas se demostró que la intensidad del EEJ es proporcional a la diferenciade la componente horizontal del campo magnético medida en dos estaciones, una ubicada dentro del área


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cubierta por el EEJ y otra fuera de su inuencia, lo cual se denota como∆H. Es decir, a mayor valorde ∆H en el magnetograma, se espera un mayor valor de índice de correlación en el caso de voz y unmayor porcentaje de caracteres correctos en el caso de comunicaciones de datos, lo cual se comprobó enlas pruebas.

Luego, se desarrolló también un simulador totalmente digital de comunicaciones de voz y datos víaEEJ basado en el modelo de Valladares y Woodman, al cual se le han incorporado una serie de mejoras [5].Una de ellas es la simulación de la técnica de diversidad, que consiste en la transmisión de la misma señal através de dos o más caminos radioeléctricos distintos con la nalidad de contrarrestar los desvanecimientos.Los resultados de las simulaciones demuestran la mejora considerable de la calidad de la voz y datostransmitidos usando esta técnica. De manera adicional, con el objetivo de validar los resultados delsimulador, se ha implementado la técnica de diversidad en frecuencia (transmisión de la misma señal endos frecuencias distintas) en el enlace Jicamarca-Paracas ya establecido. Aquí se comprobó la efectividadde esta técnica y la mejora signicativa que produce en la calidad de las comunicaciones, tanto en el casode voz como de datos: usando diversidad se logra una calidad de comunicación similar a la obtenida sinusar esta técnica, pero transmitiendo con 4 a 6 dB menos de potencia.

3. Descripción del proyecto

El presente proyecto consiste en el desarrollo de un sistema de comunicación para la transmisión devoz y datos en modo half-duplex entre dos estaciones a través de la radiopropagación en el ElectrochorroEcuatorial. Este sistema será instalado y probado como sistema de comunicación alterno entre las ciudadesde Lima y Huancayo.

Se realizó el diseño del enlace y se desarrolló un nuevo sistema de comunicaciones vía EEJ basado enel uso de la tecnología Software-Dened Radio, la cual permite implementar mediante software partes quetípicamente estaban implementadas en hardware, de modo que sea posible implementar diversas técnicasde modulación y transmisión con el objetivo de mejorar la calidad de las comunicaciones vía EEJ de unamanera exible y escalable. Para ello se empleó la librería GNU Radio y el equipo USRP.

Se desarrollaron así los programas necesarios tanto para las comunicaciones de voz como de datos.Para probar inicialmente el sistema a emplear sin necesidad de implementar físicamente el enlace, seempleó el simulador de comunicaciones vía EEJ previamente desarrollado, tras lo cual se procedió arealizar las pruebas de campo preliminares entre dos estaciones ubicadas en Lima (Ancón y Carapongo),cuyos resultados serán también presentados en este documento.

3.1. Objetivos del proyecto

El proyecto tiene dos objetivos principales:

Realizar el diseño e implementación de un enlace prototipo de comunicaciones de voz y datos víaEEJ entre Lima y Huancayo.

Emplear la tecnología Software-Dened Radio para las comunicaciones de voz y datos a través delEEJ.

3.2. Diseño del enlace

Para la realización de las pruebas de comunicaciones se establecerá un enlace punto a punto víaEEJ entre las estaciones de Lima (Radio Observatorio de Jicamarca) y Huancayo (Radio ObservatorioAstronómico de Sicaya). Las coordenadas de ambas estaciones se indican en el Cuadro 1.

Parámetro ROJ Sicaya

Latitud 11° 57' 10.5 12° 2' 28.2Longitud 76° 52' 30.9 75° 17' 46.9Altura 505 m 3.34 km

Cuadro 1: Coordenadas geográcas de las dos estaciones

La frecuencia de operación es 29.5 MHz.


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La Figura 1 muestra la ubicación de ambas estaciones en el mapa. La distancia entre ambas estacioneses de 172 km y, como se observa, no existe línea de vista entre ellas.

La Figura 2 muestra la línea que une ambas estaciones (línea azul), el Ecuador magnético (línea roja)y el locus de perpendicularidad (línea verde), el cual está formado por todos los puntos que cumplen conla condición de Bragg. Como se mencionó, para que exista comunicación entre dos estaciones los hacesde las antenas deben cumplir con la condición de dispersión de Bragg para una altitud de EEJ promediode 100 km. Como punto de intersección de los haces de las antenas se ha tomado la intersección del locusde perpendicularidad con la línea que une a ambas estaciones.

Cabe resaltar que para que el sistema funcione de manera óptima se ha realizado el diseño considerandoun total de 8 antenas, como se detallará más adelante.

La Figura 3 muestra la gráca del plano azimutal del enlace de comunicaciones. Aquí se observa queel azimuth calculado es N 3° E.

La Figura 4 muestra la gráca del plano de elevación del enlace. De los cálculos se observa que losángulos de elevación de las antenas para las estaciones de ROJ y Sicaya son 59° y 41°, respectivamente.Sin embargo, para facilidad en la instalación de las antenas se usarán ángulos de elevación de 60° y 45°,respectivamente.

Figura 1: Enlace ROJ-Sicaya


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Figura 2: Enlace ROJ-Sicaya para comunicaciones vía EEJ

Figura 3: Plano azimutal del enlace ROJ-Sicaya


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Figura 4: Plano de elevación del enlace ROJ-Sicaya

3.3. Descripción del hardware

La conguración del sistema a emplear se basa en la tecnología Software-Dened Radio (SDR). Paraello, se ha usado como hardware SDR la tarjeta USRP.

La tarjeta USRP (Universal Software Radio Peripheral) es un dispositivo desarrollado por la compañíaEttus Research LLC [6], que consiste en una tarjeta integrada que permite a computadoras de propósi-to general actuar a manera de plataformas basadas en la tecnología Software-Dened Radio. Constabásicamente de una tarjeta madre con 4 ADCs (Conversores Analógico-Digitales), 4 DACs (ConversoresDigital-Analógicos) y un FPGA Altera Cyclone EP1C12. La tarjeta USRP se conecta con la PC a travésde un puerto USB 2.0 o Gigabit Ethernet, según se trate de la USRP versión 1 o versión 2, respectiva-mente. De este modo, los programas desarrollados serán capaces de controlar a la USRP y preparar lasseñales para su transmisión o recepción.

En este proyecto se emplea la USRP 1, cuyas principales especicaciones se resumen a continuación:

4 ADCs de 64 MS/s 12-bit, 2 Vpp, 50 Ω

4 DACs de 128 MS/s 14-bit, 50 Ω

4 Downconverters digitales con tasas de decimación programables

2 Upconverters digitales con tasas de interpolación programables

Interfaz USB 2.0 de alta velocidad (480 Mb/s)

Debido a su arquitectura modular, pueden añadirse tarjetas hija, las cuales pueden funcionar adiferentes bandas de frecuencia.

De este modo, se cuenta con 4 canales de entrada y 4 de salida en el caso de señales reales. Para mayorexibilidad, si se desea que los canales de entrada sean complejos, se puede contar hasta con 2 canales deentrada compleja y 2 de salida compleja [8].

Debido a que la frecuencia del reloj del ADC es de 64 MHz, en principio puede digitalizar señales dehasta 32 MHz de ancho de banda según el criterio de Nyquist. Sin embargo, si se desea muestrear unaseñal de mayor frecuencia, se introducirá aliasing y la señal de interés será mapeada en el rango de -32 a32 MHz.

En el caso del DAC, la frecuencia de su reloj es de 128 MHz, por lo cual la frecuencia de Nyquist esde 64 MHz. Sin embargo, por propósitos de facilidad en la implementación del ltro digital, el rango deoperación del DAC es de DC a 44 MHz.

El FPGA se encarga básicamente de realizar el procesamiento matemático en la banda que se requierey reducir las tasas de muestro de datos para su envío a través del puerto USB 2.0. El FPGA se conectaa un chip de interfase USB 2.0, el Cypress FX2.

La conguración estándar del FPGA incluye dos DDCs (Digital Down Converters), implementadoscon ltros CIC (Cascaded Integrator-Comb) de 4 etapas y ltros de banda media de 31 taps dispuestos encascada. Sin embargo, es posible implementar hasta 4 DDC sin estos ltros de banda media. Los DDCs


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permiten realizar la conversión de la señal de frecuencia intermedia (IF) a banda base. Además, permitendecimar la señal de modo que la tasa de datos puede ser adaptada para su transmisión a través del puertoUSB 2.0 para su posterior procesamiento en la PC. De esta forma, el decimador puede ser visto comoun ltro pasabajos seguido por una etapa de submuestreo. Por ejemplo, para un factor de decimación deN=250, la tasa de muestreo se reduce de 64MS/s a 64M/250=256 kS/s.

De manera similar, en la etapa de transmisión el DUC (Digital Up Converter) se encarga de interpolarla señal I/Q en banda base a una frecuencia intermedia para ser enviada al DAC. Los DUC en transmisiónestán contenidos en los chips AD9862 y no en el FPGA, como ocurre en el caso de recepción. El únicoprocesamiento realizado en el FPGA en la parte de recepción es la interpolación con ltros CIC.

En la Figura 5 se muestra un gráco de la tarjeta USRP a la que se le han añadido dos tarjetasBasicTX y dos BasicRX.

Figura 5: Vista frontal de la tarjeta USRP

En la Figura 6 se muestra un diagrama de bloques del hardware del sistema de comunicaciones, el cualse aplica tanto para la estación del ROJ como para la de Sicaya. Ambas estaciones podrían transmitiry recibir en modo half duplex, debido a que contarían con un T/R, el cual permite conmutar entretransmisión y recepción usando la misma antena. Cada estación consta de los siguientes equipos:

1 tarjeta madre USRP 1, cable USB y fuente de poder

1 tarjeta hija BasicTX

1 tarjeta hija BasicRX

1 PC Core 2 Duo o superior

1 amplicador de onda continua marca Henry Radio. Entrada: -11,5 dBm. Salida: 60 W

1 amplicador de onda continua marca ACOM 1000. Entrada: 60 W. Salida: 1 kW

1 arreglo de 8 antenas Yagi de 3 elementos para la banda de 10m y 8 baluns de 3 a 30 MHz

1 ltro pasabanda centrado en 30 MHz y con un ancho de banda de 6 MHz


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1 Juego de 2 pre-amplicadores de campo de 28 a 30 MHz + desacoplador de DC

1 Juego de 3 pre-amplicadores de 28 a 30 MHz + fuente de poder de 12 VDC, 1 A

1 T/R

1 Limitador de voltaje de 2 Vpp

Figura 6: Diagrama de bloques del sistema que se requerirá en cada una de las estaciones

En la Figura 7 se muestra el diseño del arreglo de 8 antenas Yagi empleado en cada una de lasestaciones.

Figura 7: Diseño del arreglo de antenas que se requerirá en cada una de las estaciones

Como se observó en la Figura 6, el sistema de comunicaciones se compone de un subsistema detransmisión y uno de recepción en cada una de las estaciones, los cuales se detallan a continuación:

3.3.1. Subsistema de transmisión

Para la transmisión se empleará la tarjeta USRP (cuyas características se detallarán en la secciónsiguiente), la tarjeta hija BasicTX, un tro pasabanda centrado en 30 MHz, un amplicador de 60W delfabricante Henry Radio y un amplicador ACOM 1000 de 1 kW.

El procedimiento para realizar la transmisión de la señal requiere una serie de pasos:

1. La PC modula y realiza el procesamiento requerido por el programa en banda base.

2. La señal es enviada a la tarjeta USRP, la cual la eleva en frecuencia y la prepara para su transmisióna través de la tarjeta hija BasicTX, la cual provee la interfaz para transmitir señales entre 1 y 250MHz.


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3. Debido a que la tarjeta BasicTX genera la transmisión de frecuencias espurias que requieren sereliminadas, se emplea un ltro pasabanda centrado en 30 MHz, el cual tiene un ancho de banda de6 MHz, suciente para los requerimientos del sistema.

4. Se envía la señal al amplicador de la marca Henry Radio. Este opera en la banda de radioacionadosde 10m (28-29.7 MHz) como etapa driver para amplicar las señales provenientes de la USRP (de-11.5 dBm) a una potencia aproximada de 60 W.

5. La señal de salida del amplicador Henry Radio ingresa al amplicador nal ACOM para que puedatransmitir a una potencia máxima de 1 kW de forma continua.

6. La señal amplicada se envía a través del T/R, que actúa como un conmutador entre la transmisióny la recepción usando el mismo arreglo de antenas.

7. Finalmente, se empleará un arreglo de 8 antenas Yagi de 3 elementos cada una y 7.5 dBi de ganancia.

Por ejemplo, para el caso de transmisión de datos, la tarjeta USRP transmite a una potencia de -11.5dBm. A la salida del amplicador Henry se tendrá una potencia de salida de 59W. Finalmente, a lasalida del amplicador ACOM se transmitirá a una potencia de 924 W, la cual se transmitirá a travésdel sistema correctamente sintonizado a una frecuencia de 29.5 MHz.

3.3.2. Subsistema de recepción

El subsistema de recepción consta básicamente de 2 juegos de pre-amplicadores (uno en el campo yotro en la estación) y un limitador de voltaje, además de la tarjeta USRP y la tarjeta hija BasicRX.

El procedimiento para realizar la recepción de la señal requiere una serie de pasos:

1. Se recibe la señal proveniente del arreglo de antenas, previo paso por el T/R.

2. Debido a que la señal recibida es de baja potencia, es necesario amplicarla hasta llegar a nive-les que puedan ser detectados por la tarjeta USRP. Con esta nalidad se coloca en el campo unarreglo de dos pre-amplicadores P28VD, de la compañía ARR (Advanced Receiver Research), deaproximadamente 16 dB de ganancia cada uno, para frecuencias entre 28 y 30 MHz.

3. La señal amplicada llega hasta la estación, en la cual es nuevamente amplicada usando para elloun arreglo de 3 pre-amplicadores P28VD.

4. Con el propósito de proteger la tarjeta USRP, se ha colocado a continuación un limitador de voltajede 2 Vpp, el cual es el voltaje máximo que puede recibir esta tarjeta.

5. La señal ingresa a la tarjeta USRP a través de la tarjeta hija BasicRX, la cual provee la interfazpara recibir señales entre 1 y 250 MHz. Finalmente, la señal es bajada en frecuencia en la tarjetaUSRP y enviada a la PC para su procesamiento en banda base.

3.4. Análisis de ganancias y atenuaciones

Para el cálculo del enlace se consideran todas las ganancias y atenuaciones en el radio-enlace ROJ-Sicaya vía EEJ a implementar. En este caso, se está asumiendo la transmisión desde el ROJ. La potenciarecibida se obtiene a partir de la ecuación del radar, expresada de la siguiente forma:

PRX =PTX∗GTX∗GRX∗GAmp∗λ2

Lcc∗(4π)3∗R2TX∗R2

RX(σo)

Donde:

PTX : Potencia de transmisión. En promedio se empleará una potencia de transmisión aproximadade 900W.PTX= 900W = 59.5 dBm.

GTX y GRX : Ganancia de los arreglos de antenas utilizados.GTX = GRX= 15 dBi

GAmp: Ganancia del arreglo de pre-amplicadores de recepción (considera además la pérdida dellimitador, la cual es de 0.1 dB). Se sintonizaron los 5 pre-amplicadores de recepción, con lo cual seobtuvo la siguiente ganancia total:GAmp= 82 dB

λ: Longitud de onda de operación, donde λ = cf


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f : Frecuencia de operación → 29.5 MHz c: Velocidad de la luz → 3 ∗ 108m/s

RTX : Distancia recorrida desde TX al EEJ (ver Figura 4) → 115.9 km

RRX : Distancia recorrida desde EEJ al RX (ver Figura 4) → 148.4 km

LCC : Pérdidas en cables y conectores:En el Cuadro 2 se indica los distintos tipos de líneas de transmisión empleadas y la atenuación quesufre la señal por cada 100m. El Cuadro 3 muestra las longitudes usadas por cada uno de estos tiposde cable y el número de conectores empleados de acuerdo a los diagramas mostrados en las Figuras6 y 7, con lo cual nalmente se obtiene la atenuación total en los cables y conectores en todo elsistema.

Tipo de cable Impedancia (Ω) Atenuación en 30 MHz (dB/100m) Factor de velocidad (%)

RG-8 52 3 66RG-11 75 3.7 66RG-58 50 7.7 66

Cuadro 2: Especicaciones de las líneas de transmisión utilizadas

Transmisión (a partir del transmisor) Recepción

Elemento Longitud (m) Atenuación (dB) Longitud (m) Atenuación (dB)RG-8 113.6 3.41 117 3.51RG-11 1.7 0.06 1.7 0.06RG-58 0 0 3.69 0.28

Conectores 43 unidades 0.43 49 unidades 0.49SUBTOTAL: 3.9 SUBTOTAL: 4.34

Cuadro 3: Atenuaciones en cables y conectores para cada una de las estaciones

σo: Sección transversal del EEJ. Debido a que la sección iluminada del EEJ es un volumen (V ), esposible expresar σo en función de la densidad volumétrica de la sección transversal del EEJ (σv) dela siguiente forma:

σo =´σvdV

Debido a que la densidad de la sección del EEJ iluminada es uniforme, se tiene lo siguiente:

σo = σvV , es decir, σv = σo

V

El parámetro σv representa además la atenuación que sufre la señal transmitida al ser dispersadapor el EEJ.En la Figura 8 se muestra la gráca de la sección volumétrica del EEJ iluminada para este enlace.

Figura 8: Sección volumétrica del EEJ iluminada


9


El volumen de la sección del EEJ iluminada puede calcularse del siguiente modo:

V = πr2h, donde r = 12

(d1+d2

2

), d = θ° π

180°

(RTX ± h

2

)Por lo tanto, tenemos lo siguiente:

d1 = 8° π180°

(115900− 10000

2

), d2 = 8° π

180°

(115900 + 10000

2

)r = 1

2

(15484.56+16880.82

2

)→ r = 8091.35m

V = π(8091.35)2(10000)→ V = 2.0568× 1012m3

V (dB) = 10log(2.0568× 1012)→ V (dB) = 123.132dB

De este modo, la pérdida total en los cables y conectores para un enlace ROJ-Sicaya es la siguiente:PCC= 8.24dBLa ecuación de radar también se puede expresar en dB, tras lo cual quedaría de la siguiente forma:PRX(dBm) = 10logPTX + 10logGTX + 10logGRX + 10logGAmp + 20log(c) − 20log(f) + 10logσo −

10logLCC − 30log4π − 20logRTX − 20logRRXReemplazando los valores correspondientes en el enlace se obtiene lo siguiente:PRX(dBm) = 59.5 + 15 + 15 + 82 + 169.54− 149.4 + 10logσo − 8.24− 32.98− 101.28− 103.43PRX(dBm) = −54.29 + σo(dB)Teóricamente, la tarjeta USRP podrá recibir y demodular correctamente la señal recibida si su potencia

es mayor que el nivel de ruido del sistema. En este sistema, para asegurar la correcta recepción de laseñal requeriremos excitar 3 bits en el ADC, lo cual equivale a recibir una potencia mínima de -44.19dBm. Por otro lado, la potencia a la entrada de la tarjeta para que la señal no sature debe ser menor a10 dBm (potencia máxima de entrada al ADC).

PRX−MIN = −44.19dBm < −54.29 + σo(dB)σo−MIN (dB) = 10.1dBPRX−MAX = 10dBm > −54.29 + σo(dB)σo−MAX(dB) = 64.29dBCon la nalidad de hallar la atenuación causada por el EEJ se considera la siguiente fórmula:σv = σo

V → σv(dB) = σo(dB)− V (dB)De la fórmula anterior se desprende lo siguiente:σv−MIN = σo−MIN (dB)− V (dB) → σv−MIN = 10.1− 123.132→ σv−MIN = −113.03dBσv−MAX = σo−MAX(dB)− V (dB) → σv−MAX = 64.29− 123.132→ σv−MAX = −58.84dBSe concluye que el enlace funcionará para −113.03dB < σv(dB) < −58.84dB, lo cual representa el

rango de atenuación por EEJ que podría tolerar el sistema. Es decir, si la atenuación por EEJ se encuentraen el rango entre [59;113] dB, aproximadamente, el sistema será capaz de recibir la señal y demodularlasin mayor inconveniente.

3.5. Descripción del software

Con la nalidad de controlar y programar la tarjeta USRP se emplea el software GNU Radio. Estesoftware constituye una herramienta de desarrollo basada en software libre para el procesamiento deseñales, de modo que sea posible aplicar la tecnología Software-Dened Radio con hardware RF externode relativamente bajo costo y PCs de propósito general [7].

En GNU Radio se usa dos lenguajes de programación, C++ y Python, los cuales se encargan de dospartes diferentes de la implementación. El procesamiento de la señal y los bloques donde el rendimientoes crítico están escritos en C++, mientras que Python actúa como un lenguaje de alto nivel, por lo cuales usado para crear una estructura que permite unir estos bloques. El proyecto GNU Radio proporcionala mayoría de los bloques de procesamiento necesarios, de modo que es posible implementar así el ltrado,modulación y demás procesamiento de la señal en banda base. Con ello nalmente se logra contar conprogramas que ejecutan diversas tareas a alta velocidad y en tiempo real.

GNU Radio cuenta con la licencia GNU General Public License (GPL) versión 3, la cual permite lalibre distribución, modicación y uso del software. Todo el código tiene el copyright de la Fundación deSoftware Libre.

Para la implementación de los programas de comunicación se ha utilizado las siguientes versiones desoftware:

Sistema Operativo Ubuntu 10.04 ó superior

Librería GNU Radio versión 3.2


10


Librería Python versión 2.7

Librería C++ versión 4.5

3.6. Descripción de las modulaciones empleadas

Debido a que la frecuencia de las señales transmitidas vía el EEJ no se ve afectada de manera sig-nicativa, se optó por emplear tipos de modulación en frecuencia. Por este motivo, para el caso decomunicaciones de voz se empleó la modulación FM y, para el caso de datos, se empleó la modulaciónGMSK.

3.6.1. Modulación FM

La modulación FM consiste en enviar la información en la variación instantánea de la frecuencia dela señal portadora. En la Figura 9 se observa el gráco de las señales moduladora, portadora y moduladaen FM.

La señal modulada en FM se caracteriza por su máxima desviación de frecuencia (∆f) y se dene dela siguiente forma:

y(t) = Accos(2πfc + 2π∆f´ t−∝ xN (τ)dτ)

El índice de modulación para FM se dene como mp = ∆ffm

, donde fm es la frecuencia máxima de laseñal moduladora. En las pruebas se ha considerado∆f=5 kHz y fm=2.9 kHz, por lo cual mp=1.72.

Teóricamente, el ancho de banda de una señal modulada en FM es innito. Sin embargo, de manerapráctica, este parámetro puede estimarse mediante la regla de Carson, la cual establece que aproximada-mente toda la potencia de la señal (~98%) está comprendida dentro de un ancho de banda expresado dela siguiente forma, alrededor de la frecuencia de la portadora:

B = 2(mp + 1)fm ó B = 2(4f + fm)De esta manera, el ancho de banda requerido para la transmisión de voz en las pruebas ha sido de

B = 2(5 + 2.9) = 15.8kHz.

Figura 9: Señales a) moduladora, b) portadora, c) modulada en FM

3.6.2. Modulación GMSK

La modulación GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) es un tipo de modulación en frecuenciasimilar a la modulación MSK (Minimum-shift keying). Antes de modular la información en frecuencia, lamodulación GMSK usa un ltro pasabajos gaussiano de premodulación, lo que estabiliza las variacionesde las frecuencias instantáneas a través del tiempo y reduce los lóbulos laterales en el espectro de la señal.

En la modulación GMSK se envían los datos binarios (0s y 1s) a través de un codicador NRZ, en elcual, si el bit de entrada es 0, el valor de salida es -1 y, si el bit de entrada es 1, el valor de salida es 1,como se indica a continuación:


11


Bits de entrada: 1,1,0,1,1,0,0,1,0,1,0,0, 1,1,0,1,1,0,0,1,0,1,0,0,............Valores de salida: 1,1,-1,1,1,-1,-1,1,-1,1,-1,-1, 1,1,-1,1,1,-1,-1,1,-1,1,-1,-1,............Este ujo de datos se presenta grácamente en la Figura 10 mostrada a continuación:

Figura 10: Valores de salida del codicador NRZ

Cada valor de salida del codicador NRZ se pasa a través de un ltro pasabajos de forma gaussianael cual se ilustra en la Figura 11.

Figura 11: Respuesta al impulso de un ltro pasabajos gaussiano

Se obtiene un tren de pulsos de forma gaussiana, la cual se graca en la Figura 12.


12


Figura 12: Pulsos de forma gaussiana

Luego, los pulsos son sumados, generándose así una señal denotada como a(t), la cual se representaen la Figura 13.

Figura 13: Salida de la señal al pasar por el ltro pasabajos gaussiano

Esta señal es integrada en el tiempo obteniéndose así una señal de forma continua en la cual estácontenida la información de los bits a transmitir. La señal obtenida se denota como b(t) y se graca enla Figura 14.

Figura 14: Integración de la señal a(t)

Esta señal es dividida en dos señales I(t) y Q(t) de la siguiente forma:I(t) = cos[b(t)]Q(t) = sin[b(t)]Las grácas de las señales se representan en las Figuras 15 y 16.


13


Figura 15: Función I(t)

Figura 16: Función Q((t)

Estas dos funciones I(t) y Q(t) son nalmente incluidas en la siguiente expresión:m(t) = sin(2πfct)I(t) + jcos(2πfct)Q(t)donde fc indica el valor de la frecuencia portadora que se usa para la transmisión de la señal.La señal GMSK se expresa mediante la fórmula m(t) y su parte real se representa grácamente como

se indica en la Figura 17:

Figura 17: Señal Rem(t) con frecuencia portadora fc


14


4. Programa de comunicaciones de voz

4.1. Descripción del programa

El programa de comunicaciones de voz vía EEJ realiza la transmisión y recepción de la señal, para locual emplea la modulación FM e implementa la técnica de diversidad en frecuencia.

4.1.1. Etapa de transmisión

En la Figura 18 se aprecia un diagrama de bloques del programa de transmisión de voz.

Figura 18: Diagrama de bloques de la etapa de transmisión del programa de comunicaciones de voz

A continuación se describe cada uno de los bloques del programa:

a) Filtro pasabajos

Este bloque recibe un dato de tipo oat (4 bytes), el cual consiste de un audio de entrada muestreado a48 kHz. Este audio puede provenir del micrófono o de un archivo de voz pregrabado. La salida es tambiénde tipo oat (4 bytes).

Este ltro se usa para delimitar la señal de información en la banda de voz y eliminar las altasfrecuencias. Sus parámetros son los siguientes:

Frecuencia de corte.- Establece el centro del ancho de banda de transición. En este caso tiene unvalor de 2.9 kHz.

Frecuencia de muestreo: 48 kHz

Ancho de banda de transición.- Mientras más angosto sea este ancho de banda, más selectivo seráel ltro, pero requerirá mayor procesamiento en la PC. El valor de este parámetro en el programaes de 2 kHz.

Ventana: Permite diseñar la respuesta en frecuencia del ltro, la cual determina su selectividad,linealidad en la banda de paso y la máxima atenuación de los lóbulos laterales. En este caso seaplica una ventana de Hamming, la cual se caracteriza por no presentar mucho rizado y presentarlóbulos laterales bien atenuados.

b) Control Automático de Ganancia (AGC)

Se aplica en el caso en que el audio de entrada proviene del micrófono. Este bloque se encarga de ajustarla ganancia de la señal de acuerdo a la potencia recibida con la nalidad de mantener la señal a unapotencia relativamente constante.

c) Modulador de FM

Realiza la modulación FM en banda angosta. La entrada es un audio de tipo oat y la salida es una señalcompleja modulada en banda base. Usa los siguientes parámetros:

Frecuencia de muestreo a la entrada: 48 kHz

Frecuencia de muestreo a la salida: 48 kHz

Máxima desviación en frecuencia: 5 kHz

El ancho de banda de la señal modulada es de 2(5+2.9)=15.8 kHz.

d) Filtro pasabajos


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Este bloque tiene una entrada compleja (8 bytes) y una salida de tipo oat (4 bytes). Este ltro permitedelimitar la señal modulada en banda con la nalidad de delimitar las altas frecuencias. Los parámetrosson los siguientes:

Frecuencia de corte.- Está determinado por el ancho de banda de la señal modulada. El valor deeste parámetro es de 8 kHz.


Ancho de banda de transición: 2 kHz.

Ventana: Hamming

e) Ganancia de transmisión

Se emplea para ajustar el nivel de la señal a transmitir de manera externa, modicando el archivo deconguración cong_fm2_wx.py. Consta de un factor que multiplica la amplitud de la señal resultantecon la nalidad de controlar vía software la potencia transmitida.

Valor de ganancia: 0.445

Velocidad de muestreo a la salida del bloque: 48 kHz

f) Ganancia en el programa

Se emplea para ajustar en el programa el nivel de la señal transmitida. Consta de un factor que multiplicala amplitud de la señal resultante con la nalidad de controlar el nivel de la señal generada.

Valor de ganancia: 215 − 1 = 32767


g) Interpolación y decimación

Se realiza un remuestreo en software con el objetivo de elevar la tasa de muestreo de la señal de 48 kHza 256 kHz con la nalidad de que pueda ser transmitida por la USRP.

Interpolación: 16

Decimación: 3


h) USRP

La señal compleja resultante muestreada a 256 kHz será enviada a la USRP. El DUC realiza la interpo-lación en hardware a un factor de 500. De esta manera se eleva la frecuencia de muestreo a 128 MHz, demodo que pueda ser ingresada al DAC, que opera a esta frecuencia, para su posterior transmisión.

4.1.2. Etapa de recepción

En la Figura 19 se aprecia un diagrama de bloques del programa de recepción de voz.

Figura 19: Diagrama de bloques de la etapa de recepción del programa de comunicaciones de voz

A continuación se describe cada uno de los bloques del programa:

a) USRP RX


16


La señal se recibe con la USRP, en donde es digitalizada por el ADC a una frecuencia de 64 MHz. Luego,se pasa la señal al DDC, implementado en el FPGA, el cual realiza la decimación por hardware con unfactor de 250. De este modo, se transmite la señal compleja de 8 bytes a la PC a una tasa de muestreo de256 kHz, la cual es adecuada para su transmisión a través del puerto USB 2.0 y para su procesamientoen banda base en la PC.

b) Filtro pasabajos

La señal obtenida se pasa por un ltro pasabajos para eliminar las frecuencias espurias. Las señales deentrada y salida son complejas de 8 bytes. Se usa los siguientes parámetros:

Frecuencia de corte del ltro pasabajos: 8 kHz

Frecuencia de muestreo del ltro pasabajos: 256 kHz

Ancho de banda de transición del ltro pasabajos: 2 kHz

Ventana: Hamming

c) Interpolación y decimación

Con el propósito de reducir la carga computacional, se reduce la tasa de muestreo de cada uno de loscanales a 48 kHz, de modo que nalmente se trabaje con señales a una tasa de 20 kHz, la cual cumple elcriterio de Nyquist. Las entradas y salidas son señales complejas de 8 bytes.

Para ello se usa los siguientes parámetros:

Interopolación: 5

Decimación: 64


d) Demodulación FM

Se realiza la demodulación FM de la señal compleja. La información se encuentra contenida en la fre-cuencia de la señal, la cual se calcula a partir de la derivada de la fase de la siguiente forma.

Sean:

i(t) y q(t) son las componentes en fase y cuadratura de la señal, respectivamente

θ(t) = tan−1(q(t)/i(t)) es la fase instantánea

∆θ(t) es la derivada de θ(t) respecto al tiempo

Además, r(t) = q(t)/i(t)

∆θ(t) =dtan−1[r(t)]

dt = 11+r2(t)

d[r(t)]dt , donde d[r(t)]

dt = d[q(t)/i(t)]dt =

i(t)d[q(t)]

dt −q(t)d[i(t)]

dt

i2(t)

De esta forma, ∆θ(t) = 11+r2(t)

i(t)d[q(t)]

dt −q(t)d[i(t)]

dt

i2(t)

Reemplazando el valor de r(t) se obtiene:

∆θ(t) = 11+[q(t)/i(t)]2(t)

i(t)d[q(t)]

dt −q(t)d[i(t)]

dt

i2(t)

Finalmente, se reemplaza la variable t por el tiempo discreto n:

∆θ[n] =i[n]

d[q[n]]dn −q[n]

d[i[n]]dn

i2[n]+q2[n]

Esta fórmula se emplea en el programa para la implementación de la demodulación FM en bandabase.

Velocidad de muestreo a la salida del bloque: 20 kHz.

e) Interpolación y decimación

Este bloque permite incrementar la tasa de muestreo de la señal demodulada de 20 kHz a 48 kHz conla nalidad de que el audio resultante pueda ser enviado a la tarjeta de sonido, la cual muestrea a unafrecuencia de 48 kHz. Tanto la entrada como la salida son señales complejas de 8 bytes.

Interpolación: 12

Decimación: 5


f) Filtro pasabajos


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Este bloque tiene entrada y salida de tipo oat (4 bytes). Este ltro permite limitar el ancho de bandadel audio demodulado al ancho de banda del canal de voz, por lo que la frecuencia de corte seleccionadaes de 3 kHz. Los parámetros del ltro son los siguientes:

Frecuencia de corte.- Está determinado por el ancho de banda del canal de voz. Se ha elegido unafrecuencia de corte de 3 kHz.


Ancho de banda de transición: 2 kHz.

Ventana: Hamming

h) Reproducción del audio por la tarjeta de sonido

La señal obtenida es nalmente reproducida en la tarjeta de sonido a una tasa de 48 kHz.

4.2. Implementación de diversidad

Con el propósito de implementar la técnica de diversidad en frecuencia, la etapa de transmisiónse realiza de acuerdo al diagrama de bloques presentado en la Figura 20. Como se observa, para laimplementación de diversidad se parte de la señal modulada y ltrada, la cual es desplazada en espectro,de modo que se tenga dos versiones de la misma información pero en diferentes bandas. Para la aplicaciónde la técnica de diversidad se considera la misma potencia de transmisión total que se empleaba en el casosin diversidad, por lo que la potencia se distribuye equitativamente en las dos bandas. Con esta nalidad,si para el caso sin diversidad la señal tenía una amplitud de A, en el caso con diversidad la amplitudde las señales para cada uno de los canales será de A/

√2, de modo que la aplicación de la técnica de

diversidad no implique la transmisión a mayor potencia.Para el desplazamiento de los espectros, se multiplica la señal (compleja de 8 bytes) por dos portadoras

(también complejas de 8 bytes), una centrada en -15 kHz y otra centrada en 15 kHz, de modo que laseparación entre ambas señales resultantes (30 kHz) sea superior a la suma del ancho de banda de laseñal transmitida (15.8 kHz) y el ancho de banda de coherencia del canal (10 kHz).

De esta forma, los espectros no se interferirán, los canales serán independientes y los desvanecimientosno estarán correlacionados. Luego se continuará con el procedimiento normal detallado en la sección 4.1.1.

Figura 20: Diagrama de bloques de la etapa de transmisión del programa de comunicaciones de voz usandodiversidad en frecuencia

Por otra parte, la implementación de la técnica de diversidad en frecuencia en la etapa de recepciónse realiza de acuerdo a lo indicado en la Figura 21. Con esta nalidad, se pasa la señal recibida porla tarjeta USRP a través de un ltro desplazador en frecuencia. Este permite separar los dos canalescontenidos en la señal recibida en banda base, centrados en 15 kHz y -15 kHz, y centrarlos luego en 0 Hz.


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De este modo se tienen los dos canales separados para su posterior procesamiento. Luego, cada una de lasseñales resultantes son pasadas a través de un ltro pasabajos con fc=8 kHz para eliminar las frecuenciasespurias, de manera similar a lo realizado en el caso sin diversidad.

Figura 21: Diagrama de bloques de la etapa de recepción del programa de comunicaciones de voz usandodiversidad en frecuencia

Como se indicó anteriormente, con el propósito de reducir la carga computacional se remuestrea cadauno de los canales de modo que nalmente se trabaja con señales a tasas de 256k*5/64 = 20 kHz, lo cualcumple el criterio de Nyquist debido a que la frecuencia máxima de la información contenida es de 8 kHz.A continuación, se realiza la demodulación FM de cada uno de los canales y se estima sus potencias.

Para el procesamiento de diversidad se optó por realizar el promedio ponderado de las señales demod-uladas en función de la potencia de la señal recibida en cada canal. Esta técnica resulta mejor que realizarun promedio simple debido a que para cada instante de tiempo se le da más peso al canal que tenga máspotencia. Con ello, se logra contrarrestar el efecto de los desvanecimientos, los cuales son aleatorios y nocorrelacionados.

La señal obtenida después de aplicar la técnica de diversidad se expresa de la siguiente forma:

S[n] = S1[n]P1[n]+S2[n]P2[n]P1[n]+P2[n]

De donde S1 y S2 son las señales demoduladas obtenidas de cada canal y P 1 y P 2 son las potencias decada uno de los canales.

La señal obtenida se encuentra muestrada a una tasa de 20 kHz y, para que sea reproducida porla tarjeta de sonido, se requiere luego remuestrearla a una tasa de 48 kHz. Posteriormente, de manerasimilar al caso sin diversidad, se ingresa esta señal a un bloque de ltrado pasabajos con fc=3 kHz conel propósito de remover las componentes de alta frecuencia producto del procesamiento. Finalmente, sepasa la señal por la tarjeta de sonido, la cual reproduce el audio obtenido.

5. Programa de comunicaciones de datos

5.1. Descripción del programa

El programa de comunicaciones de datos vía EEJ realiza la transmisión y recepción de la señal, paralo cual emplea la modulación GMSK e implementa la técnica de diversidad en tiempo. El programadesarrollado se ha diseñado en base a un modelo de capas, el cual dene cada capa de tal forma que seencuentren delimitadas las acciones que se realizan y así sea posible mejorar independientemente una deotras. La Figura 22 muestra el modelo de capas del programa y la estructura de la trama.

A continuación se describe cada capa y se detalla las acciones de las que está encargada cada una.

a) Capa de nivel 4

Es la capa que recibe la información a transmitir. Se encarga de subdividir los datos y usar la técnicade diversidad en tiempo. Luego los datos son insertados en las capas inferiores para su envío. Además,recibe los parámetros que se usarán para la comunicación.


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Figura 22: Diagrama del modelo de capas y de la estructura de la trama

Subdivisión de los datos: La información recibida por la capa es segmentada, para este caso, entamaños de 1 byte.

Técnica de diversidad en tiempo: Se usa esta técnica para poder recuperar de forma correctala información cuando existen errores, para este caso, se envia cada byte repetido 5 veces seguidas.

b) Capa de nivel 3

Se encarga de insertar el paquete Sensor DC, el cual es usado por el bloque removedor de DC parahacer una estimación de la señal de DC que se removerá, con lo cual se logrará minimizar la pérdida deinformación debido a la diferencia de fases de los relojes. Los datos ingresados son enviados a la capainferior con el nombre de segmento.

c) Capa de nivel 2

A cada segmento recibido de la capa de nivel 3 se le agrega bits para que puedan ser identicados. Comose indica en la Figura 22, los bits agregados son los siguientes:

Preámbulo (P): Se encarga de insertar bytes que no contienen información con el objetivo de dar untiempo entre paquetes. Tiene una longitud de 2 bytes.

Código de acceso (CA): Permite la identicación del segmento. Tiene una longitud de 8 bytes.

Segmento: Unidad de información recibida por la capa 3. Tiene una longitud de 5 bytes.

Relleno (R): Agrega algunos bytes de tal forma que el paquete total tenga el tamaño deseado. Paraeste caso tiene una longitud de 1 byte.

A la unidad de salida de la capa 2 se le llama trama y tiene una longitud de 16 bytes.

d) Capa de nivel 1

Cada trama de la capa de nivel 2 es recibida y los bits son procesados y luego enviados al equipo USRP.Este proceso se describe en los bloques de procesamiento de los programas de transmisión y recepción dedatos, los cuales se detallan en las secciones siguientes.

5.1.1. Etapa de transmisión

En la Figura 23 se muestra un diagrama de los bloques de procesamiento del programa de transmisiónde datos:

Figura 23: Diagrama de bloques de la etapa de transmisión del programa de comunicaciones de datos

La descripción de cada uno de estos bloques se detalla a continuación:

a) Codicación NRZ


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En este bloque se recibe un dato de tipo unsigned char (8 bits) y la salida de cada bit es un dato tipooat (32 bits). Se realiza la conversión empezando por los bits más signicativos:

bit: valor 1 -> valor 1 (oat)bit: valor 0 -> valor -1 (oat)

Velocidad de muestreo a la salida del bloque: 1250 Hz.

En la Figura 24 se muestra una gráca de la señal codicada en NRZ.

Figura 24: Gráca de la salida del bloque de codicación NRZ

b) Filtro Gaussiano

Este bloque recibe datos de tipo oat (4 bytes), aplica un ltro gaussiano y los interpola para obtener elnúmero de muestras por símbolo que se requiere. Los datos de salida son de tipo oat (4 bytes). Primerose debe generar los coecientes del ltro gaussiano, los cuales se obtienen como se indica en el diagramade bloques de la Figura 25.

Figura 25: Diagrama de bloques para la generación de los coecientes del ltro gaussiano

A continuación, se inicializa el ltro gaussiano con los coecientes generados. La señal ltrada a lasalida del ltro se muestra en la Figura 26.

Numero de muestras por símbolo: 4


Figura 26: Diagrama de bloques para la generación de los coecientes del ltro gaussiano

c) Interpolación


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Se usa para aumentar el número de muestras. En la conguración actual, por cada muestra que ingresase obtiene 50 muestras a la salida.

Interpolación: 50


d) Modulación en frecuencia

En este bloque se ingresa un valor de tipo oat (4 bytes) y se obtiene un valor de tipo complejo (8 bytes).Se aplica las siguientes fórmulas para calcular el valor de salida:

sensibilidad = 2π∆f250000

θ[n] = θ[n− 1] + sensibilidad ∗ valor_entrada[n]valor_salida[n] = exp(θ[n] ∗ i)Módulo de las muestras complejas de salida: 1


La Figura 27 graca la fase de la señal a la salida de este bloque.

Figura 27: Gráca de la fase de la señal a la salida del bloque de modulación FM

e) Bloque Ganancia

Se aplica un factor que multiplica por hardware la amplitud de la señal a transmitir; con este factor secontrola la potencia de transmisión.

Valor de ganancia.- Puede tomar valores de 0 a 1. En este caso se ha empleado una ganancia de0.25.


f) USRP TX

La etapa de transmisión del equipo USRP se encarga de recibir las muestras complejas de la señal enviadaa través de la conexión USB. Se recibe las muestras a una velocidad de muestreo de 250 kHz y se realizauna interpolación de 512, con lo que se obtiene una velocidad de muestreo de 128 MHz que usa elconvertidor digital a analógico.

5.1.2. Etapa de recepción

En la Figura 28 se muestra un diagrama de los bloques de procesamiento del programa de recepciónde datos:

Figura 28: Diagrama de bloques de la etapa de recepción del programa de comunicaciones de datos

La descripción de cada uno de estos bloques se detalla a continuación:


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a) USRP RX

Las muestras complejas de la señal recibida se envían a la PC a través de la conexión USB. Se recibenlas muestras del convertidor analógico a digital a una velocidad de muestreo de 64 MHz. Luego se realizauna decimación de 256, con lo que se obtiene una velocidad de muestreo de 250 kHz, a la cual se envíala señal a la PC.


b) Filtro Decimador

A este bloque se le ingresa una señal compuesta por valores de tipo complejo (8 bytes). A esta señal sele aplica un ltro pasabajos para atenuar las componentes de alta frecuencia y además se realiza unadecimación de 50. La frecuencia de corte así obtenida es de 5 kHz, aproximadamente. A la salida delbloque se obtiene datos de tipo complejo (8 bytes).

Decimación: 50


c) Removedor de DC

Debido a la diferencia de relojes de los equipos USRP, se agrega una componente DC que debe serremovida. Este bloque se encarga de la remoción de esta componente, para lo cual la estima a partirdel cálculo del promedio de un cierto número de muestras recibidas a las cuales aplica demodulación enfrecuencia y luego remueve esta componente restando su valor respectivo de las muestras de tipo de valorcomplejo. Este bloque recibe datos de tipo complejo (8 bytes) y a la salida obtiene datos de tipo complejo(8 bytes)


d) Demodulación en frecuencia

En este bloque se ingresa una señal con muestras de tipo complejo (8 bytes) a la cual se le aplica elproceso inverso al de la modulación en frecuencia con lo que se obtiene una señal con valores de tipootante (4 bytes).


e) Clock Recovery

Este bloque realiza una decimación de las muestras para obtener el símbolo original. Se encarga derecuperar los símbolos de forma correcta, haciendo un ajuste de los valores que usará para la decimacióntomando como base los valores de las muestras recibidas. Este bloque está hecho para trabajar con 4muestras por símbolo.

Velocidad de muestreo a la salida del bloque: 1250 Hz

f) Decodicación NRZ

Este bloque se encarga del proceso inverso de la codicación NRZ. La conversión por cada dato recibidose realiza de la siguiente forma:

símbolo: valor -1 -> valor 0 (bit)símbolo: valor 1 -> valor 1 (bit)El valor de cada bit se envía a la salida como un dato de tipo unsigned char (8 bits)

Velocidad de muestreo a la salida del bloque: 1250 Hz

6. Simulaciones

Como se mencionó anteriormente, se ha desarrollado un simulador de comunicaciones de voz y datosvía EEJ, el cual fue usado para probar los sistemas a emplear previa a la implementación física del enlace.


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6.1. Simulación de comunicaciones de voz

La simulación de las comunicaciones de voz se realizó usando íntegramente el simulador de comunica-ciones vía EEJ desarrollado previamente [5]. El diagrama de bloques del programa se muestra en la Figura29. Como se observa, primero se ingresa al simulador un archivo de voz en formato .wav muestreado a 8kHz y con 16 bits de resolución. El programa modula en FM este audio, simula su transmisión a través delcanal EEJ y le añade ruido blanco gaussiano. Luego demodula el audio y lo guarda en otro archivo .waven la PC. Finalmente, se calcula el índice de correlación con el audio original, lo cual permite cuanticarla calidad de la voz recibida.

Figura 29: Diagrama de bloques del simulador de comunicaciones de voz vía EEJ sin el usode diversidad

Se realizaron además simulaciones empleando la técnica de diversidad, que consiste en realizar dostransmisiones independientes de la misma señal, lo cual, para efectos prácticos en este programa, equivalea modular la señal a través de dos EEJ distintos. De este modo, se aprovecha la naturaleza aleatoria delEEJ para simular transmisiones independientes entre sí.

Como se aprecia en el diagrama de bloques en la Figura 30, se generan tantos EEJ distintos comonúmero de realizaciones se emplee para diversidad. A través de cada uno de estos EEJ se modula elmismo audio FM para obtener señales independientes. Ello equivale a transmitir por diferentes caminosradioeléctricos, por lo cual este modelo puede ser aplicado para simular los distintos tipos de diversidad(diversidad en frecuencia, espacio, tiempo, polarización, etc.).

De manera similar al programa descrito en la sección 4.2, para la implementación de diversidad seconsideró que la potencia total transmitida en los casos sin diversidad y con diversidad sea la misma, demodo que la mejora en la calidad de las comunicaciones no se deba al aumento en la potencia total detransmisión, sino solo a la aplicación de esta técnica. De este modo se logra simular que, si la potencia detransmisión sin diversidad era de P , en el caso con diversidad cada uno de los dos canales se transmitirácon potencia P/2, de manera que la potencia total transmitida se conserve.

Finalmente, para el procesamiento de diversidad se halló también el promedio ponderado de las señalesdemoduladas en función de la potencia de la señal recibida en cada canal.

En el Cuadro 4 se muestran los resultados de las simulaciones de comunicaciones de voz sin diversidady con el uso de esta técnica para diferentes niveles de SNR y en la Figura 31 se muestra una gráca

Figura 30: Diagrama de bloques del simulador de comunicaciones de voz vía EEJ sin el usode diversidad


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SNRÍndice de correlación

Sin diversidad Con diversidad

0 0,40 0,344 0,58 0,566 0,66 0,668 0,71 0,7312 0,77 0,8116 0,81 0,8320 0,81 0,8424 0,81 0,8428 0.82 0.84

Cuadro 4: Variación del valor del índice de correlación en función del SNR para la simulación de comu-nicaciones de voz vía EEJ con diversidad y sin el uso de esta técnica

comparativa de los índices de correlación obtenidos para ambos casos según los resultados obtenidos en lassimulaciones. Se observa que el índice de correlación mejora a medida que el SNR se incrementa. Además,de acuerdo con las simulaciones y para la implementación de diversidad considerada, se observa que eluso de esta técnica permite mejorar cualitativa y cuantitativamente la calidad de los audios obtenidosa partir de cierto nivel de SNR, el cual, según las simulaciones, puede considerarse a partir de 6 dB.Para condiciones de menor SNR, el uso de diversidad implicará distribuir la poca potencia disponibleen dos canales, pero, debido a que la potencia del ruido es la misma, las señales se verán más afectadaspor los desvanecimientos, por lo que su calidad disminuirá. Por este motivo, se recomienda transmitirsin diversidad para valores de SNR menores a 6 dB y con diversidad para niveles de SNR a partir deéste. Por ejemplo, en la tabla 4 se aprecia que para un SNR de 12 dB, el índice de correlación obtenidomejora de 0.77 a 0.81 con el uso de diversidad, mientras que para un SNR de 4 dB el índice de correlacióndisminuye de 0.58 a 0.56 con el uso de esta técnica.

Finalmente, a partir de la comparación de los resultados de las simulaciones presentadas se concluyeque el uso de diversidad permite obtener la misma calidad de la voz transmitiendo con aproximadamente3 ó 4 dB menos respecto al caso sin diversidad, pero solo para niveles de SNR medio y alto, a partir deun valor de 6 dB indicado en el párrafo anterior. Por ejemplo, en el caso de transmisión sin diversidady con un SNR de 16 dB, se obtiene un índice de correlación de 0.81, similar al valor obtenido en el casode transmisión con diversidad pero para un SNR de solo 12 dB. Para niveles menores de SNR no serecomienda emplear diversidad.

Figura 31: Gráca comparativa de los resultados de las simulaciones de comunicaciones de voz vía EEJcon diversidad y sin el uso de esta técnica


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Se realizaron además pruebas de laboratorio de comunicaciones de voz entre dos PCs y dos equiposUSRP sin emplear el simulador de EEJ. Se observó que la señal recibida sufría una distorsión en suamplitud, cuya intensidad dependía de la frecuencia de la información enviada, lo cual no ocurría cuandola transmisión y la recepción se realizaba en la misma USRP. Este efecto se debe a que se está trabajandocon dos tarjetas distintas, las cuales tienen distintos relojes. Estas frecuencias distintas de operaciónproducen una diferencia en frecuencia que provoca que la señal demodulada se observe como si estuvieramultiplicada modulada en amplitud. Por este motivo, el máximo valor de índice de correlación entre laseñal recibida y la señal transmitida fue de 0.88.

Por ejemplo, en la Figura 32 se observa una gráca correspondiente a la transmisión de un tono de 500Hz en intervalos de transmisión y recepción cada 30 segundos. El índice de correlación obtenido fue de0.98 y se observa que la amplitud del tono recibido es más o menos constante. A medida que la frecuenciadel tono se incrementaba, el índice de correlación obtenido era cada vez mayor, como puede vericarseen la Figura 33. En ella se observa una gráca similar a la Figura 32, pero para un tono de 2 kHz. Laamplitud del tono recibido se ha distorsionado de manera considerable, por lo que el índice de correlaciónobtenido en este caso es de 0.78, mucho menor que el anteriormente hallado.

Figura 32: Gráca obtenida de las pruebas de laboratorio correspondientes a la transmisión de un tonode 500 Hz.


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Figura 33: Gráca obtenida de las pruebas de laboratorio correspondientes a la transmisión de un tonode 2 kHz.

6.2. Simulación de comunicaciones de datos

Para la prueba de laboratorio se ha usado el siguiente esquema mostrado en la Figura 34. En esta seobserva que solo se ha usado dos PCs y dos equipos USRP para la realización de estas pruebas.

Figura 34: Esquema de las pruebas de laboratorio

Los pasos para la realización de las pruebas de laboratorio son los siguientes:

1. Paso 1. Se envía un mensaje desde la PC A usando el programa de transmisión del sistema, el cualse encarga de la modulación de la señal y su envío al equipo USRP A por medio de la conexiónUSB. El equipo USRP A transmite la señal usando su etapa de transmisión a la etapa de recepcióndel equipo USRP B y luego se envía a la PC B por medio de la conexión USB. En la PC B la señalrecibida es almacenada en un archivo llamado rx_0.dat a una frecuencia de muestreo de 250kHz.Este proceso se ilustra en la Figura 35.

Figura 35: Proceso de envío del mensaje hasta su almacenamiento en el archivo rx_0.dat

2. Paso 2. Luego el archivo rx_0.dat es ingresado al simulador para comunicaciones vía EEJ, el cualpermite simular el canal de comunicaciones EEJ. Luego, se le agrega ruido a partir de un determinadovalor de relación señal a ruido (SNR) ingresado, tras lo cual se obtiene el archivo rx_0_sim.dat.Este archivo contiene la señal simulada por EEJ a la cual se le ha agregado ruido. Cabe resaltarque en las simulaciones se ha trabajado con una modulación en banda base, pues con esto se reducenotablemente el procesamiento necesario.


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Figura 36: Proceso de simulación

3. Paso 3. Por último, el archivo simulado rx_0_sim.dat es ingresado al programa de recepción delsistema, el cual demodula la señal y obtiene el mensaje recibido.

Figura 37: Proceso de recepción de la señal simulada

La conguración de los programas de transmisión y recepción del sistema han sido descritos en la sección5.1. A continuación se muestra en el Cuadro 9 los parámetros básicos del sistema de comunicación dedatos que se usaron para las pruebas de laboratorio.

Parámetro Característica

Modulación GMSKAncho de banda de transmisión 3.2 kHz

Esquema de transmisión del sistema Diversidad en tiempoBitrate del sistema 1250 bpsBitrate efectivo 78 bps (9.75 caracteres por segundo)

Cuadro 5: Parámetros básicos del sistema de comunicaciones de datos para las pruebas de laboratorio

El mensaje utilizado en las pruebas fue el siguiente:This is a test message for data communication using the Equatorial Electrojet as a scattering media

to establish VHF radio communication links.El mensaje transmitido tiene una longitud de 144 caracteres, con lo cual se obtenía un archivo

rx_0.dat de 31MB. Para simular los datos contenidos en este archivo y obtener el archivo rx_0_sim.datse necesita un tiempo de 6 min aproximadamente, 5 min para la simulación vía EEj y 1 min para agregarel SNR.

Para la realización del proceso de simulación se ha usado valores de SNR de 15, 20 y 25 dB.En el Cuadro 6 se muestra el resumen de los resultados de las pruebas de laboratorio realizadas. Para

la obtención de estos resultados se ha realizado un total de 60 simulaciones por cada valor de SNR. Seha calculado el porcentaje de caracteres errados en función del SNR. Los resultados de las simulacionespermiten vericar que, a medida que el SNR se incrementa, la calidad del mensaje mejora.

En base a los resultados de las pruebas de laboratorio se concluyó que el sistema se encuentra validadopara su uso en un enlace de comunicaciones vía EEJ, tras lo cual se procedió a la ejecución de las pruebasexperimentales.

SNR (dB) Porcentaje de caracteres errados

15 0.58%20 0.03%25 0.00%

Cuadro 6: Variación del porcentaje de caracteres errados en función del SNR para la simulación decomunicaciones de datos vía EEJ

7. Pruebas preliminares

Se han realizado pruebas preliminares de comunicaciones punto a punto de voz y datos vía EEJ endos estaciones ubicadas en Lima. El objetivo de estas pruebas fue probar el sistema de comunicaciones


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basado en la tecnología Software-Dened Radio y los programas desarrollados empleando la librería GNURadio.

7.1. Descripción del enlace empleado

Con el propósito de realizar las pruebas de campo se estableció un enlace punto a punto entre dosestaciones ubicadas en Ancón y Carapongo (cerca de Huachipa). La frecuencia empleada fue 29.5 MHz.En este caso solo se emplearon dos antenas en cada estación debido a que aún no se contaba con las ochoantenas por estación.

En la Figura 38 se muestra la ubicación de ambas estaciones, el Ecuador magnético (línea roja) y ellocus de perpendicularidad (línea verde).

Figura 38: Locus de perpendicularidad del enlace Ancón-Carapongo

En la Figura 39 se aprecia el plano azimutal del enlace. De aquí se concluye que el azimuth es N58°E.En cada estación se empleó una separación entre las dos antenas de 6.92 m.

Por otra parte, el plano de elevación del enlace se muestra en la Figura 40. De aquí se concluye que elángulo de elevación es de aproximadamente 79° en cada una de las estaciones y la distancia total recorridaes de 203.98 km.


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Figura 39: Plano azimutal del enlace Ancón-Carapongo

Figura 40: Plano de elevación del enlace Ancón-Carapongo

7.2. Descripción del sistema empleado

Los equipos empleados fueron los mismos que los descritos en la sección 3.3, con la diferencia deque en estas pruebas se contó solo con 2 antenas por cada estación y no las 8 requeridas para el enlaceROJ-Sicaya. Como se mencionó en aquella sección, ambas estaciones podrían alternar entre transmisióny recepción, pero, debido a que en estas pruebas preliminares no se empleó el T/R, las comunicacionesse realizaron solo en un sentido.

La Figura 41 muestra un diagrama de bloques del sistema empleado en cada una de las estaciones.


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Figura 41: Diagrama de bloques del sistema empleado en cada una de las estaciones

En las Figuras 42 y 43 se muestran fotografías de los sistemas empleados en las estaciones de Ancóny Carapongo, respectivamente.

Figura 42: Sistema empleado en la estación de Ancón

El arreglo de impedancia de dos antenas empleado en cada una de las estaciones se graca en la Figura44.

En las Figuras 45 y 46 se presentan fotografías de los arreglos de dos antenas para las estaciones deAncón y Carapongo, respectivamente.


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Figura 43: Sistema empleado en la estación de Carapongo

Figura 44: Diseño del arreglo de impedancia de antenas empleado en cada una de las estaciones

Figura 45: Arreglo de antenas empleado en la estación de AncónApartado 13-0207, Lima 13, Perú

Teléfono (+51-1) 317-2313 Fax (+51-1) 317-231232


|

Figura 46: Arreglo de antenas empleado en la estación de Carapongo

Para el cálculo del enlace se procede de manera similar a lo indicado en la sección 3.4. Para ello con-sideran todas las ganancias y atenuaciones existentes en el radio-enlace vía EEJ entre Ancón y Carapongoimplementado, lo cual se obtiene de la ecuación de radar anteriormente indicada:

PRX =PTX∗GTX∗GRX∗GAmp∗λ2

Lcc∗(4π)3∗R2TX∗R2

RX(σo)

Para este sistema, en el caso de comunicaciones de voz se transmitirá a una potencia de 720 W y,para el caso de datos, a una potencia de 930W. Los valores de estos parámetros son los siguientes:

PTX−voz= 720W = 58.57 dBm; PTX−datos= 930W = 59.68 dBm.

GTX = GRX = 10 dBi

GAmp= 82 dB

λ = cf , donde f = 29.5 MHz

LCC = 4.57 dB.

En el Cuadro 7 se muestra las longitudes usadas para cada uno de los tipos de cable y el númerode conectores empleados de acuerdo a los diagramas mostrados en las Figuras 41 y 44, con lo cualnalmente se obtiene la atenuación total en los cables y conectores en todo el sistema.

Transmisión (a partir del transmisor) Recepción

Elemento Longitud (m) Atenuación (dB) Longitud (m) Atenuación (dB)RG-8 79.48 2.38 48.87 1.47RG-11 1.7 0.06 1.7 0.06RG-58 0 0 3.69 0.28

Conectores 13 unidades 0.13 19 unidades 0.19SUBTOTAL: 2.57 SUBTOTAL: 2

Cuadro 7: Atenuaciones en cables y conectores para cada una de las estaciones

RTX : Distancia recorrida desde TX al EEJ (ver Figura 40) → 101.91 km

RRX : Distancia recorrida desde EEJ al RX (ver Figura 40) → 102.07 km

σo: Sección transversal del EEJ, la cual está expresada por la siguiente fórmula de acuerdo a loseñalado en la sección 3.4:

σo = σvV

En la Figura 47 se muestra la gráca de la sección volumétrica del EEJ iluminada para este enlace.


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Figura 47: Sección volumétrica del EEJ iluminada

El volumen de la sección del EEJ iluminada puede calcularse del siguiente modo:

V = πr2h, donde r = 12

(d1+d2

2

), d = θ° π

180°

(RTX ± h

2

)Por lo tanto, tenemos lo siguiente:

d1 = 8° π180°

(101910− 10000

2

), d2 = 8° π

180°

(101910 + 10000

2

)r = 1

2

(13531.19+14927.45

2

)→ r = 6765.59m

V = π(6765.59)2(10000)→ V = 1.438× 1012m3

V (dB) = 10log(1.438× 1012)→ V (dB) = 121.578dB

De acuerdo a lo señalado en la sección 3.4, la ecuación de radar puede expresarse de la siguiente formaen dB:

PRX(dBm) = 10logPTX + 10logGTX + 10logGRX + 10logGAmp + 20log(c) − 20log(f) + 10logσo −10logLCC − 30log4π − 20logRTX − 20logRRX

Para comunicaciones de voz, reemplazando los valores correspondientes, se obtiene lo siguiente:PRX(dBm) = 58.57 + 10 + 10 + 82 + 169.54− 149.4 + σo(dB)− 4.57− 32.98− 100.16− 100.18PRX(dBm) = −57.17 + σo(dB)Como se mencionó anteriormente en la sección 3.4, la tarjeta USRP podrá recibir correctamente

señales cuya potencia potencia se encuentre entre -44,19 dBm y 10 dBm, con lo cual podremos estimarel rango de atenuación por EEJ que podría tolerar este sistema en el caso de comunicaciones de voz.

PRX−MIN = −44.19dBm < −57.17 + σo(dB)σo−MIN (dB) = 12.98dBPRX−MAX = 10dBm > −57.17 + σo(dB)σo−MAX(dB) = 67.17dBCon la nalidad de hallar la atenuación causada por el EEJ se considera la siguiente fórmula:σv = σo

V → σv(dB) = σo(dB)− V (dB)De la fórmula anterior se desprende lo siguiente:σv−MIN = σo−MIN (dB)− V (dB) → σv−MIN = 12.98− 121.578→ σv−MIN = −108.598dBσv−MAX = σo−MAX(dB)− V (dB) → σv−MAX = 67.17− 121.578→ σv−MAX = −54.408dBSe deduce que el sistema de comunicaciones de voz funcionará para valores de densidad volumétrica

de la sección transversal del EEJ (σv) en el rango −108.598dB < σv(dB) < −54.408dB. Es decir, si laatenuación por EEJ se encuentra en el rango entre [54;109] dB, aproximadamente, el sistema será capazde recibir la señal y demodularla sin mayor inconveniente.

En el caso de datos, considerando PTX−datos= 59.68 dBm, la potencia recibida estará expresada porla siguiente fórmula:

PRX(dBm) = −56.06 + σo(dB)De manera similar al caso de comunicaciones de voz, se calculan las potencias mínima y máxima que

puede recibir la tarjeta:PRX−MIN = −44.19dBm < −56.06 + σo(dB)σo−MIN (dB) = 11.87dBPRX−MAX = 10dBm > −56.06 + σo(dB)


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σo−MAX(dB) = 66.06dBA continuación se calculan los valores de sección transversal volumétrica del EEJ máxima y mínima

de la siguiente forma:σv−MIN = σo−MIN (dB)− V (dB) → σv−MIN = 11.87− 121.578→ σv−MIN = −109.708dBσv−MAX = σo−MAX(dB)− V (dB) → σv−MAX = 66.06− 121.578→ σv−MAX = −55.518dBFinalmente, se concluye que el sistema de comunicaciones de datos para este enlace funcionará para

valores de atenuación por EEJ en el rango entre [56;110] dB, aproximadamente, dentro del cual el sistemaserá capaz de recibir la señal y demodularla sin mayor inconveniente.

7.3. Descripción de las pruebas

Se realizaron pruebas de campo sobre el enlace implementado descrito en la sección anterior. Un díase destinó a las pruebas de comunicaciones de voz y otra día para las pruebas de datos. En ambos casos,se tomó muestras para diferentes horas del día y valores de ∆H . En estas pruebas preliminares lascomunicaciones se realizaron en un solo sentido, es decir, solo se transmitió desde una de las estacionesy se recibió en la otra.

7.3.1. Pruebas de comunicaciones de voz

Las pruebas de comunicaciones de voz presentadas en este documento se realizaron el día 5 de agostode 2011. Se realizaron comunicaciones tanto en el caso sin diversidad en frecuencia como con el uso de estatécnica con la nalidad de comparar la mejora cualitativa y cuantitativa de los audios recibidos. La poten-cia transmitida total en el caso de diversidad fue la misma que la potencia en el caso de comunicacionessin diversidad y la separación entre ambas frecuencias fue de 30 kHz.

En ambos casos la transmisión se realizó desde Carapongo a una potencia de 720 W y la recepción serealizó en Ancón. Durante ese día, se realizaron 4 tomas de datos tanto para el caso de transmisión sindiversidad como para el caso con diversidad. En cada una de estas tomas se transmitió repetidas vecesun audio pregrabado de 6 segundos de duración por períodos de 30 segundos y luego se dejaba descansarel amplicador durante 1 minuto y así sucesivamente.

Los parámetros básicos del sistema de comunicaciones de voz se muestran en el Cuadro 8:


Frecuencia de operación 29.5 MHzPotencia de transmisión 720 W

Modulación FMAncho de banda de transmisión 16 kHz (sin diversidad) y 46 kHz (con diversidad)

Cuadro 8: Parámetros básicos del sistema de comunicación de voz

A continuación se indicarán los rangos de potencia recibida para el cual se probó el sistema decomunicaciones de datos y, en base a ello, se calculará el rango de atenuación del EEJ correspondientepara las pruebas realizadas.

En el caso sin diversidad, la potencia recibida durante el tiempo que se prolongaron las pruebas se hallóen el rango PRX(dBm) = [−20;−5]dBm y, en el caso con diversidad, la potencia recibida por cada canalfue de PRX(dBm) = [−16;−7]dBm. Reemplazando estos valores en la ecuación PRX(dBm) = −57.17 +σo(dB) mostrada líneas arriba, obtenemos nalmente que durante el día de pruebas se observaron valoresde sección transversal de EEJ en el rango 37.17dB < σo(dB) < 52.17dB, para los cuales fue posible recibircomunicaciones vía EEJ. Estos valores corresponden a un rango de atenuación del EEJ comprendido entre[69; 84]dB. Este se encuentra dentro del rango calculado teóricamente para comunicaciones de voz indicadoen la sección anterior: [56; 110]dB. Además, debido a que el rango de la potencia recibida se encuentracomprendido entre [−20;−5]dBm y, teóricamente el sistema puede operar entre [−44.19; 10]dBm, seconcluye que es posible trabajar con un pre-amplicador de 16 dB menos en la etapa de recepción. Eneste caso se obtendría niveles en el rango [−36;−21]dBm, los cuales se encuentran aún dentro del rangode operación teórico del sistema.


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7.3.2. Pruebas de comunicaciones de datos

En las pruebas de comunicaciones de datos se implementó vía software la técnica de diversidad entiempo, la cual consiste en enviar la misma información repetidas veces con la nalidad de contrarrestar losdesvanecimientos presentes en las comunicaciones vía EEJ. En el programa implementado, la informaciónse envió repetida 5 veces seguidas.

Las pruebas de comunicaciones de datos presentadas en este documento se realizaron el día 24 deagosto. Durante ese día, se transmitía repetidas veces un mensaje de texto pregrabado y luego se dejabadescansar el amplicador durante 1 minuto y así sucesivamente.

Los parámetros básicos del sistema de comunicaciones de datos se muestran en el Cuadro 9 :.


Frecuencia de operación 29.5 MHzPotencia de transmisión 930 W

Modulación GMSKAncho de banda de transmisión 3.2 kHz

Cuadro 9: Parámetros básicos del sistema de comunicaciones de datos

De acuerdo a las pruebas realizadas y a la intensidad de los ecos del EEJ para el día de pruebas, el rangode potencia recibida para el cual se probó el sistema de comunicación de datos con redundancia fue dePRX(dBm) = [−22;−14]dBm. Reemplazando estos valores en la ecuación PRX(dBm) = −56.06+σo(dB)mostrada líneas arriba, observamos que durante el día de pruebas se presentaron valores de seccióntransversal de EEJ en el rango 34.06dB < σo(dB) < 42.06dB. Para todos estos valores, los cuales sehallan dentro del rango teórico indicado en la sección anterior, fue posible recibir comunicaciones de datosvía EEJ. Estos valores corresponden a un rango de atenuación del EEJ comprendido entre [80; 88]dB.Este se encuentra dentro del rango calculado teóricamente para comunicaciones de datos indicado en lasección anterior: [56; 110]dB. Debido a que el rango de potencia recibida se encuentra comprendido entre[−22;−14]dBm y, teóricamente el sistema puede operar entre [−44.19; 10]dBm, se concluye que es posibletrabajar con un pre-amplicador de 16 dB menos en la etapa de recepción. En este caso se obtendríaniveles en el rango [−38;−30]dBm, los cuales se encuentran aún dentro del rango de operación teóricodel sistema.

7.4. Resultados

Los resultados de las pruebas de comunicaciones de voz y de datos fueron satisfactorios y se detallana continuación:

7.4.1. Pruebas de comunicaciones de voz

Para la cuanticación de la calidad de la voz se usó como parámetro el índice de correlación de laseñal recibida con la señal transmitida, el cual expresa el grado de similitud entre ambas y puede tomarvalores entre 0 y 1. Un índice de correlación de 1 indica que ambas señales son idénticas.

Para el cálculo del índice de correlación se empleó el programa Protocolo_Analisis_Voz.m, desarrol-lado en Matlab. Este programa, cuyo uso se detalla en el Protocolo de análisis de la voz y datos recibidos,recibe un archivo de audio y lo compara con el audio original para hallar el índice de correlación entreambos. Para ello, emplea la función xcorr de Matlab, la cual estima la función de cross-correlación entredos señales determinadas y halla el retardo entre ellas. De esta forma, se calcula el índice de correlaciónde la siguiente manera:

[corr, lags] = max(abs(xcorr(voice_original, voice_recibida,'coe')))Cabe resaltar que la cross-correlación entre dos señales viene dada por la siguiente fórmula:Rfg(x) =

´f(t)g(x+ t)dt

Esta función se implementa en Matlab de la siguiente forma:Rfg(x) = IFFT (FFT (f,N) ∗ conj(FFT (g,N)))Como se mencionó anteriormente, una medida aproximada de la intensidad del EEJ es la magnitud

de la diferencia de la componente horizontal (M H ) del campo magnético medida en dos estaciones, unadentro del área cubierta por el EEJ y otra fuera de ésta, la cual se denota como M H y se mide en nT . En


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este caso se está tomando como referencia el M H entre las estaciones de Jicamarca y Piura. Las grácasde los magnetogramas disponibles se encuentran en el siguiente enlace:

http://jro.igp.gob.pe/database/magnetometer/html/magdata.htm.Anteriormente se ha comprobado de manera experimental que, a medida que el M H se incrementa,

el SNR aumenta también y, por lo tanto, el índice de correlación se incrementa también, con lo cual lacalidad de los audios mejora, como puede corroborarse cualitativamente.

Para el cálculo del SNR se desarrolló el programa FFT_graph_SNR.py, el cual graca el espectro dela señal recibida. La señal de entrada al programa se obtiene de cada uno de los archivos recibidos en laspruebas las comunicaciones de voz, los cuales fueron grabados después de pasar la señal recibida por unltro pasabajos de 8 kHz y un bloque remuestreador para llegar a una tasa de 20 kHz. En la Figura 48se muestra un ejemplo del espectro de una señal recibida durante las pruebas de comunicación de voz eldía 5 de agosto a las 12:14 pm. En color azul se graca el espectro de la señal y en verde se graca lospicos de ésta. El SNR correspondiente se puede aproximar hallando la diferencia entre la potencia picopromedio de la señal cuando se transmite voz (en dB) y la potencia del ruido (en dB). En este ejemplo,el SNR calculado grácamente es de 19 dB.

Figura 48: Gráca del espectro de la señal (línea azul) y los valores pico (línea verde) para las pruebasde comunicaciones de voz

Los resultados de las pruebas de comunicaciones de voz con diversidad y sin el uso de esta técnica seencuentran detallados en el Anexo A.1.

El Cuadro 10 presenta una tabla referencial de la calidad de las comunicaciones de voz recibidas segúnel índice de correlación obtenido. Se observa que, para que el mensaje sea conable (mensaje entendible),es necesario que el índice de correlación sea superior a 0.65.

Índice de correlación Calidad

>0.8 Muy conable>0.65 Conable>0.4 Parcialmente entendible<0.3 Ininteligible

Cuadro 10: Tabla referencial de la calidad de la comunicación de voz según su índice de correlación

La Figura 49 muestra la variación del M H Jicamarca-Piura durante el 05 de Agosto del 2011, paralas horas entre 12:06 y 16:02 (hora local). Durante este día, se produjo una tormenta magnética, por locual hubo ocasiones en las que el valor de M H varió abruptamente, como se observa en el pico observadopocos minutos después de las 14 horas. La Figura 50 muestra un gráco de la variación del índice decorrelación durante este intervalo de tiempo, tanto para el caso sin diversidad como con el uso de estetécnica, según los resultados obtenidos indicados en el Anexo A.1. Del gráco se concluye que la calidadde las comunicaciones es conable durante la mayor parte del tiempo, debido a que en promedio el índice


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de correlación es mayor a 0.65. Tanto para el caso sin diversidad como con el uso de esta técnica, losaudios recibidos a partir de las 15:54 horas presentan valores de índice de correlación menores a 0.4, porlo que su calidad es parcialmente entendible o ininteligible.

En esta gráca se observa además que el uso de diversidad ha permitido obtener una mejor calidadde comunicaciones. Por ejemplo, a las 14:50 horas (hora local), se obtuvo un M H Jic-Piura de 47.9 nTy un índice de correlación de 0.66 sin el uso de diversidad. Con el uso de esta técnica, 6 minutos después(a las 14:56 horas) y con un M H de 47.7 nT se obtuvo un índice de correlación mayor, de 0.73. De estemodo se comprueba que el uso de la técnica de diversidad permite obtener una mejor calidad de la vozrecibida, lo cual puede vericarse cualitativa y cuantitativamente en las pruebas realizadas.

Figura 49: Gráca de la variación del M H en función de la hora para el día 5 de agosto de 2011

Figura 50: Gráca de la variación del índice de correlación en función de la hora para el día 5 de agostode 2011

7.4.2. Resultados de las pruebas de comunicaciones de datos

Para la cuanticación de la calidad de los datos se usó como parámetro el porcentaje de carac-teres correctos recibidos. De manera similar al caso de transmisión de voz, se empleó el programaFFT_graph_SNR.py para hallar grácamente el SNR. Para ello se le ingresa uno de los archivos recibidosde las comunicaciones de datos, el cual se encuentra muestreado a una tasa de 250 kHz. La Figura 51muestra un ejemplo del gráco del espectro de la señal recibida en una prueba de comunicación de datos


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realizada el día 24 de agosto a las 10:33 am. Nuevamente, el SNR obtenido grácamente puede aproxi-marse a la diferencia entre la potencia pico promedio de la señal cuando se transmite datos (en dB) y lapotencia del ruido (en dB). En este ejemplo, el SNR hallado grácamente es de 20 dB.

Figura 51: Gráca del espectro de la señal (línea azul) para las pruebas de comunicaciones de voz yvalores pico (línea verde)

Los resultados de las pruebas de comunicaciones de datos se encuentran detallados en el Anexo A.2.Aquí se observa el porcentaje de caracteres correctos en función de la hora, el parámetro M H Jicamarca-Piura y el SNR obtenido.

Durante las pruebas ocurrieron interferencias en el ancho de banda de la señal, las cuales eran tanintensas que su potencia era comparable a la señal recibida. Dichas interferencias se mostraron comobarridos en frecuencia que cubrían el ancho de banda de la señal transmitida. Estas se presentaron conmayor frecuencia en horas de la tarde, por lo que la calidad de las comunicaciones de datos recibidos fueafectada durante este tiempo. El programa FFT_graph_SNR.py permitió vericar la existencia de estasinterferencias en los datos crudos recibidos. En los resultados presentados en los anexos se consideran estasinterferencias, las cuales degradan la calidad del mensaje recibido. De manera adicional, en el historial seincluyen los resultados obtenidos sin incluir los datos en lo que aparecen dichas interferencias.

De manera similar al caso de voz, para el caso de datos se desarrolló una tabla referencial que relacionala calidad de las comunicaciones de datos y el porcentaje de caracteres correctos como parámetro decuanticación. Como se observa en el Cuadro 11, se indica la calidad de las comunicaciones de datospara determinados rangos de pocentaje de caracteres correctos recibidos. Si este valor es superior al96%, los mensajes serán muy conables y su contenido será entendible aunque presenten algunos pocoscaracteres errados. Para valores superiores al 92%, el mensaje será conable y aún comprensible. Encambio, para valores mayores a 87% los mensajes serán solo parcialmente entendibles. Finalmente, encaso este porcentaje sea menor a 80%, los mensajes se tornan ininteligibles.

Porcentaje correctos Calidad

> 96% Muy conable> 92% Conable> 87% Parcialmente entendible< 80% Ininteligible

Cuadro 11: Tabla referencial de la calidad de la comunicación de voz según su índice de correlación

Los resultados obtenidos en las pruebas pueden ser analizados grácamente a partir de las Figuras 52y 53, elaboradas a partir de los resultados consignados en los anexos. La Figura 52 muestra un grácode la variación del M H Jicamarca-Piura para el día 24 de agosto de 10:33 a 15:28 horas (hora local).La Figura 53 muestra un gráco del porcentaje de caracteres correctos de los mensajes recibidos ese día.Del análisis de ambas grácas se observa que, en general, a mayor valor de M H , mayor es el porcentajede caracteres correctos y, por lo tanto, mayor es la calidad de los datos recibidos. Se observa un caso


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particular a las 12:02 horas, en la que se produjo una disminución del porcentaje de caracteres correctospromedio a 96.64%. Para el resto de datos recibidos se obtiene una suave caída de este valor confomedisminuye el M H, excepto en los casos en los que ocurre interferencia, a partir de las 15:12 horas, lo cualse puede contrastar con los resultados obtenidos considerando la remoción de estos datos consignados enel historial. Además, se observa que el porcentaje de caracteres correctos fue superior a aproximadamente96% durante la mayor parte del día, excepto en los momentos señalados anteriormente. Por este motivo,según el Cuadro 11, se concluye que la calidad de los datos recibidos fue muy conable durante la mayorparte del tiempo y la mayoría de los mensajes recibidos fueron inteligibles.

Figura 52: Gráca del valor de M H para el día 24 de agosto de 2011

Figura 53: Gráca del porcentaje de caracteres correctos para el día 24 de agosto de 2011

8. Conclusiones

Del presente trabajo se extrajeron las siguientes conclusiones:

Se logró realizar de manera exitosa el diseño e implementación de un nuevo sistema de comunicacionesde voz y datos vía EEJ basado en la tecnología Software-Dened Radio, lo cual permitió implementar


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en software nuevas técnicas de modulación y transmisión con la nalidad de mejorar la calidad dela voz y los datos recibidos.

Se desarrollaron programas para las comunicaciones de voz y datos, los cuales fueron sometidos apruebas de laboratorio empleando el simulador de comunicaciones vía EEJ previamente desarrollado.Estas simulaciones permitieron vericar cualitativamente el efecto de la variación de los distintosparámetros del EEJ en la calidad de la voz y datos recibidos y evaluar el efecto del uso de la técnicade diversidad.

Las pruebas de campo de comunicaciones vía EEJ realizadas ratican que es posible transmitir vozy datos de manera exitosa usando el EEJ como medio de dispersión. Se evaluó la calidad de losmensajes de voz y datos tanto de manera cualitativa (evaluando la inteligibilidad del mensaje) comocuantitativa (a través del cálculo de parámetros como el índice de correlación en el caso de voz y latasa de caracteres errados en el caso de datos). En ambos casos, la mayoría de los mensajes recibidosfueron entendibles durante las horas en las que el EEJ estuvo presente.

Las pruebas de campo permitieron además vericar que existe una relación cuantitativa entre elvalor del M H y la calidad de las comunicaciones de voz y datos. Se vericó que, a mayor valordeM H , mejor será la calidad de las comunicaciones.

Se implementó la técnica de diversidad vía software, sin necesidad de hardware adicional, a travésdel uso de la tecnología Software-Dened Radio. En el caso de comunicaciones de voz se empleóla modulación FM y se usó la técnica de diversidad en frecuencia, para lo cual se transmitió conla misma potencia total respecto al caso de transmisión sin diversidad, de modo que se consumala misma potencia en ambos casos. Los resultados de las pruebas de campo de comunicación devoz permitieron vericar experimentalmente que la aplicación de la técnica de diversidad permitemejorar cualitativa y cuantitativamente la calidad de la voz y los datos recibidos para niveles deSNR medio y alto (mayores a 6 dB, aproximadamente según las simulaciones). Para niveles de SNRmás bajos, la calidad obtenida es menor debido a que cada una de las señales se envía a menorpotencia, por lo que se ven más afectadas por los desvanecimientos. Por otro lado, en el caso decomunicaciones de datos se empleó la modulación GMSK y la técnica de diversidad en tiempo.En este caso, el empleo de diversidad en tiempo implica un mayor consumo de potencia debido aque se transmite repetidas veces el mismo mensaje, por lo cual se envía la misma potencia pico detransmisión, pero durante un mayor tiempo. Por este motivo, se vericó experimentalmente que elempleo de la técnica de diversidad en tiempo en el caso de comunicaciones de datos permitió obtenerun mayor porcentaje de caracteres correctos respecto al caso sin diversidad. Los mensajes recibidosusando diversidad presentaron un porcentaje de caracteres correctos en promedio superior al 98%durante la mayor parte del tiempo, por lo cual su calidad se encuentra en el rango de muy conable.

Se han realizado tablas de referencia de la calidad de la voz y datos recibidos de acuerdo al valor desu parámetro de cuanticación (índice de correlación y porcentaje de caracteres correctos, respecti-vamente). De esta manera, se establecieron umbrales cuantitativos para determinar la inteligibilidadde las comunicaciones.

Durante el día de pruebas de campo de comunicaciones de datos se observó la presencia de inter-ferencias que afectaban de manera signicativa la calidad del mensaje. Estas interferencias, de granintensidad, se presentaban como barridos en frecuencia y solo se producían por momentos durantedeterminadas horas del día.

9. Recomendaciones

Se propone realizar las siguientes recomendaciones y trabajos futuros en el proyecto.

Realizar el establecimiento de un enlace prototipo Jicamarca-Huancayo con la nalidad de experi-mentar con un enlace más largo y evaluar su inuencia en la calidad de las comunicaciones vía EEJ.De este modo se tendría un aumento de la sección transversal del EEJ y, por lo tanto, se incremen-taría el volumen de dispersión. Además, en este caso se experimentaría con un enlace este-oeste,a diferencia de los enlaces norte-sur implementados anteriormente (como Jicamarca-Paracas), y seevaluaría el efecto que este hecho produce en la calidad de la voz y datos recibidos.

Realizar pruebas con la nalidad de contar con resultados para vericar cuantitativamente la correctaselección de parámetros del simulador de comunicaciones vía EEJ. Se podría por ejemplo realizar


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pruebas de campo y, de manera simultánea, monitorear la intensidad de los ecos del EEJ y susparámetros, como el ancho espectral y el ancho en altura del EEJ, usando para ello el radar deJicamarca. De este modo se tendría un experimento controlado tras lo cual sería posible simular estascomunicaciones usando los parámetros medidos con el radar. Los resultados podrían ser comparadoscon los obtenidos en las pruebas de campo y, de esta forma, se podría estudiar la inuencia de lavariación de los parámetros del EEJ en la calidad de las comunicaciones y se podría además ajustardichos parámetros en el simulador de comunicaciones para mejorar el modelo implementado. Elsimulador podría ser mejor congurado de manera cuantitativa, con lo cual sería posible estimarmejor la calidad de una comunicación de voz o datos sin necesidad de implementar el enlace.

Implementar nuevas técnicas de modulación y esquemas de transmisión con la nalidad de contrar-restar los efectos de los desvanecimientos, mejorar así la calidad de la voz y los datos recibidos ymaximizar la capacidad del canal. El efecto de estas técnicas en la calidad de los datos recibidospuede ser estudiada inicialmente a través de su implementación en el simulador.

En el caso de voz, se podría probar el uso de diferentes valores de índice de modulación con lanalidad de lograr que la señal sea vea menos afectada por los desvanecimientos. El valor máximode este parámetro estaría denido por el ancho de banda de coherencia del canal, el cual es de 10kHz.

Actualmente, en el caso de datos se está empleando la modulación GMSK a 1250 bps. Podría re-alizarse pruebas empleando mayores bitrates para aprovechar la capacidad del canal y transmitirdatos a mayor velocidad. Esta tasa podría ser también incrementada mediante el empleo de modula-ciones M-arias, las cuales permiten transmitir una mayor cantidad de bits por símbolo. Se recomiendatambién emplear otras técnicas y esquemas de modulación para contrarrestar los desvanecimientos,tales como OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), técnica de modulación digital queconsiste en la transmisión de los datos divididos en múltiples canales, cada uno de los cuales estámodulado por una subportadora. Estas subportadoras son ortogonales entre sí y son moduladas dig-italmente a una tasa de símbolos menor (por lo cual resulta robusta frente a los desvanecimientos),manteniendo así la tasa de transmisión total obtenida en los esquemas típicos con una sola portadora[5].

La calidad de las comunicaciones de datos podría incrementarse también mediante el uso de la técnicade interleaving y de códigos de detección y corrección de errores. Interleaving permite proteger lainformación frente a errores de tipo ráfaga (burst errors), los cuales afectan bits consecutivos deinformación. Aplicando interleaving, los errores se distribuyen en distintos codewords o palabras,tras lo cual se aplican técnicas de detección y corrección de errores, como códigos de paridad,cíclicos, de bloques (Hamming, Reed Solomon) y convolucionales (Trellis, Viterbi, Turbo códigos)[5].

Se podría también implementar la técnica de diversidad en frecuencia en el caso de datos con lanalidad de mejorar la calidad de dichas comunicaciones, de manera similar a lo realizado en el casode voz. Para ello, se recomienda primero simular el uso de esta técnica en el simulador para ver losefectos en la calidad de los datos recibidos.

Mejorar la codicación empleada en la transmisión de datos. Actualmente se está empleando lacodicación NRZ, la cual convierte un bit '1' en una salida +1 y un bit '0' en una salida -1.Posteriormente podría implementarse otra codicación, como Manchester, la cual permitiría calcularla componente DC (debido a la diferencia de los relojes) de manera más precisa.

Mejorar el software de toma de datos y análisis de la voz y datos recibidos de modo que sea lo másautomática posible con la nalidad de realizar estadísticas para el estudio del canal y caracterizacióndel sistema.

Emplear la técnica de Multichannel, que consiste en enviar múltiples canales para la transmisión deinformación digital. De este modo se logra transmitir la señal a lo largo de una banda de frecuenciasmucho más amplia que el ancho de banda original de la información que se desea enviar. De estaforma se podría enviar la información repartida en varios canales de 10 kHz, de modo que las señalesno estén correlacionadas y se logre así enviar una mayor cantidad de bits al mismo tiempo y por elmismo medio.


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A. Anexo 1: Resultados de las pruebas de comunicaciones

A.1. Resultados de las pruebas de comunicaciones de voz

En el Cuadro 12 se muestra los valores de índice de correlación obtenidos de las pruebas de comuni-caciones de voz sin el uso de la técnica de diversidad para distintas horas del día. Se hicieron en total4 tomas de datos, las cuales se encuentran separadas por una la en blanco. Además, para cada una deellas se indica el valor de M H Jic-Piura correspondiente y el SNR. Se observa que el índice de correlaciónde los audios recibidos con los transmitidos mejora a medida que se incrementa el valor de ∆H, lo queproduce a su vez un incremento del valor de SNR, por lo cual el audio recibido tendrá mayor calidad yserá más inteligible.

Hora (HHMM) M H Jic-Piura (nT) SNR (dB) Índice de correlación

1206 44,8 21 0,69511209 46,2 22 0,68421211 48,4 22 0,7084

1356 35,2 21 0,64301357 36 21 0,68421359 34,5 21 0,69971400 36,6 21 0,73911402 24,7 21 0,76061403 25,4 21 0,7439

1450 47,9 20 0,66081451 43,3 20 0,6184

1554 3 11 0,32671556 2 11 0,4581557 6,9 11 0,3543

Cuadro 12: Variación del valor del índice de correlación en función de la hora del día,∆H Jic-Piura ySNR para las pruebas de comunicaciones de voz sin el uso de diversidad realizadas el 5 de agosto

De manera similar a la tabla anterior, en el Cuadro 13 se muestra los valores de índice de correlaciónobtenidos de las pruebas de comunicaciones de voz, pero considerando el uso de diversidad. En este casose realizaron 4 tomas de datos. Nuevamente, para mayores niveles de ∆H, mayor será el SNR y, por lotanto, mejor será la calidad de los audios recibidos. Además, de la comparación de los Cuadros 12 y 13se concluye que el uso de diversidad en frecuencia permite obtener un mayor índice de correlación paravalores similares de ∆H y niveles de SNR medio o alto (mayores a 6 dB, aproximadamente). En caso secuente con un nivel bajo de SNR, la aplicación de esta diversidad no resulta conveniente debido a quelas señales de cada uno de los canales se transmite con muy poca potencia, por lo cual se verán másafectadas por el ruido y, por lo tanto, el índice de correlación resultante será menor que el obtenido en elcaso sin diversidad.


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Hora (HHMM) M H Jic-Piura (nT) SNR (dB) Índice de correlación

1214 48,3 19 0,75561216 46,1 18 0,75851217 46,6 18 0,7415

1410 104,4 20.5 0,84031412 112,9 20 0,83311413 114,5 20.5 0,8099

1454 45,2 18.5 0,73021456 47,7 18 0,7331457 43,5 17 0,704

1559 30,2 10.5 0,31641601 14,9 5.5 0,14921602 2,6 4.5 0,144

Cuadro 13: Variación del valor del índice de correlación en función de la hora del día, el deltaH y el SNRpara las pruebas de comunicaciones de voz usando diversidad realizadas el 5 de agosto

A.2. Resultados de las pruebas de comunicaciones de datos

El Cuadro 14 muestra el porcentaje de caracteres correctos obtenidos durante las pruebas de comuni-caciones de datos para el día 24 de agosto empleando la técnica de diversidad en tiempo. Además, paracada una de ellas se indica el valor de M H correspondiente y el valor de SNR calculado. Se observa que,en general, a medida que el M H disminuye, el porcentaje de caracteres correctos disminuye tambiény, por lo tanto, la calidad de los datos disminuye también, lo cual puede comprobarse en los mensajesrecibidos. Debido al empleo de diversidad, se observa que en promedio el porcentaje de caracteres cor-rectos se mantiene alto, en valores mayores al 97%, por lo cual la mayoría de los mensajes recibidos enlas pruebas resultaron inteligibles. En las últimas tres tomas de datos (*) se presentan interferencias, locual se corroboró mediante el uso del programa FFT_graph_SNR.py para gracar el espectro de la señalrecibida en banda base. Esta interferencia provocó que el porcentaje de caracteres correctos disminuyasignicativamente, lo que podrá comprobarse con los resultados presentados en el historial, los cuales noconsideran estos datos con interferencias. Como se observa en el cuadro, éstas ocurren a partir de las15:12 horas y provocan que el porcentaje de caracteres correctos disminuya a valores alrededor del 93%y 95%, aproximadamente.


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Nro Hora M H SNR Caracteres Porcentaje(HHMM) Jic-Piu (nT) (dB) Recibidos Correctos Incorrectos correctos

1 1033 61.8 20 143 142 1 99.30%2 1040 61.2 20 143 142 1 99.07%3 1047 64.2 21 143 142 1 99.39%4 1111 86.7 23 143 143 0 99.88%5 1118 87.8 23 143 142 1 99.42%6 1152 87.8 23 143 143 0 99.74%7 1202 83.4 23 142 138 5 96.64%8 1220 89.1 23 143 143 0 99.88%9 1227 88.3 23 143 142 1 99.65%10 1236 84.8 21 143 142 1 99.30%11 1300 81 20 143 141 2 98.48%12 1308 79.4 20 143 141 2 98.83%13 1314 80.8 19 143 141 2 98.83%14 1334 72.1 18 143 141 2 98.72%15 1341 68.3 18 142 140 3 98.08%16 1348 63.2 18 142 140 3 97.79%17 1355 60.4 18 143 140 3 98.25%18 1448 34.7 17 143 141 2 98.48%19 1455 34.6 17 143 141 2 98.43%* 20 1512 31.7 17 139 134 9 93.47%* 21 1522 29.8 16 137 133 10 93.18%* 22 1528 32.1 16 141 136 7 95.34%

Cuadro 14: Resumen de las estadísticas de los resultados de las pruebas de comunicaciones de datosrealizadas el 24 de agosto. Las últimas tres tomas (*) presentan interferencias.

B. Anexo 3: Historial del proyecto

En este anexo se describe el historial de los problemas y soluciones que se presentaron a lo largo deldesarrollo del proyecto Chasqui - EEJ. Para el entendimiento de este documento se recomienda haberleído la documentación nal del proyecto.

Durante el desarrollo del proyecto Chasqui se realizaron pruebas de laboratorio y en varias de ellas seencontraron comportamientos no esperados. En este documento se presentan estos problemas indicandoen qué casos ocurren y qué se hizo para solucionarlos. En cada sección se debe tomar en cuenta la fechade referencia como el tiempo en el cual se presentó el comportamiento del sistema que se describe y enel archivo de referencia se puede encontrar mayor detalle. En la Figura 54 se muestra el esquema básicoque se usó para las pruebas de laboratorio que se realizaron.

Figura 54: Esquema de las pruebas

B.1. Pruebas de las simulaciones realizadas con diferentes tipos de modula-ciones digitales

(Archivo de referencia: 20101025_simulaciones_de_modulaciones.ods)(Fecha de referencia: 25 de octubre del 2010)


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Se realizaron simulaciones usando una parte del simulador para comunicaciones vía EEJ anteriormentedesarrollado en el Radio Observatorio de Jicamarca (se ha usado la parte que se encarga de la simulaciónpor EEJ y de agregar la relación señal a ruido). Para estas pruebas se usaron las modulaciones GMSK,DBPSK, DQPSK, siendo el objetivo de las pruebas determinar cuál de las modulaciones era menosafectada por el EEJ. En la Tabla 15 se presentan los resultados de las pruebas.

ModulaciónSNR Número de Paquetes recibidos Porcentaje de paquetes recibidos(dB) paquetes Correctos Errados Correctos Errados

enviadosgmsk 15 1500 1398 102 93.20% 6.80%dbpsk 15 1500 1374 126 91.60% 8.40%qpsk 15 2848 2441 407 85.71% 14.29%

gmsk 20 595 563 32 94.62% 5.38%dbpsk 20 600 554 46 92.33% 7.67%

gmsk 10 600 540 60 90.00% 10.00%dbpsk 10 600 534 66 89.00% 11.00%

Cuadro 15: Estadísticas de las simulaciones realizadas.

Se ha usado como parámetro de calidad el porcentaje de paquetes correctos recibidos. De las pruebasde simulaciones se obtuvo que la modulación GMSK fue la menos afectada para comunicaciones vía EEJ.Esto se debe a que esta es un tipo de modulación en frecuencia, la cual no se ve afectada de manerasignicativa por el EEJ.

OBSERVACIONES:

La manera en que se simuló la relación señal a ruido (SNR) no era la correcta, pues se considerabaque la amplitud de la señal de entrada era 1, lo cual es incorrecto pues alcanza valores del orden delos millares. Por este motivo, los resultados de estas simulaciones solo pueden ser tomados de formacualitativa.

B.2. Truncamiento de la señal demodulada.

(Fecha de referencia: 10 de enero del 2011)(Archivo de referencia: 20110110_Pruebas GMSK.odt)Al usar el programa de recepción de datos se obtenía una señal demodulada en recepción como se

muestra en la Figura 55. En ella se puede apreciar que se presentan truncamientos los cuales producenque la parte superior de la señal sea desplazada hacia abajo.


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Figura 55: Señal demodulada en recepción

En la Figura 56 se muestra la gráca de la señal a la salida del bloque clock recovery en la cual sepuede apreciar los efectos del truncamiento de la señal demodulada.

Figura 56: Señal a la salida del bloque clock recovery.

Se revisó el código fuente del bloque del proceso de demodulación en frecuencia, el cual se encuentra enel archivo gr_quadrature_demod_cf.cc. Se encontró que la función gr_fast_atan2f, la cual es usadapor defecto en la librería GNU-Radio, produce este problema. Esta calcula la función arcotangente usandouna tabla de valores precalculados. Para resolver este problema se usó la función atan2 de la libreríamath.h en lugar de la función gr_fast_atan2f. Se realizó el cambio como se indica a continuación:

Código original:out[i] = d_gain * gr_fast_atan2f(imag(product), real(product));Reemplazo:out[i] = d_gain * atan2(imag(product), real(product));Con este cambio se logró solucionar el problema de los truncamientos que se tenían en la señal

demodulada.OBSERVACIONES:

Fue necesario recompilar el código fuente de la librería GNU-Radio pues el cambio se hizo en unalibrería escrita en lenguaje C++.

Posteriormente el bloque del proceso de demodulación fue implementado en la librería JRO-Radio.


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B.3. Diferencia entre los relojes de los equipos USRP.

(Fecha de referencia: Enero del 2011)Durante las pruebas de laboratorio, al usar un esquema como se muestra en la Figura 54, se obtenía

una señal demodulada en recepción que tenía una componente DC agregada, lo cual provocaba que atodas las muestras se les sumara el valor de dicha componente. Debido a ello, no se lograba recuperar lainformación, pues se necesita poder diferenciar los valores positivos y negativos de la señal demodulada.

En la Figura 57 se muestra la gráca de una señal en transmisión antes de la etapa de modulación.Como se puede observar, la señal está centrada en cero.

Figura 57: Señal modulada en transmisión

En la Figura 58 se muestra la gráca de una señal demodulada en recepción. Como se puede observar,esta señal no está centrada en cero e, inclusive, todos los valores son negativos, por lo cual no es posiblerecuperar la información transmitida.

Figura 58: Señal demodulada en recepción

Este problema se debe a que los relojes de las USRP no son exactamente iguales y por ello no generanexactamente la misma frecuencia de operación. Para solucionar este problema se implementó un bloquepara remover la componente DC agregada.

OBSERVACIONES:

Se apreció que cuando se usa frecuencias de operación menores la componente DC que es insertadaes de menor magnitud.

Este problema no se presenta cuando se usa el mismo equipo USRP para recepción y transmisión,pues al usar el mismo reloj no se agrega la componente continua.

B.4. Estructura original del paquete.

(Fecha de referencia: 26 de enero del 2011)


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(Archivo de referencia: 20110126_estructura paquete.odp)En la Figura 59 se muestra la estructura original del paquete que se usaba y en la tabla16 se muestra el tamaño de cada campo y un comentario acerca de su funcionalidad.

Figura 59: Estructura original de un paquete.

Campo Bytes Bits Comentario

preambulo 2 16 Permite una separación entre paquetes.access code 8 64 Identicador del inicio de un paquete.header 4 32 Se indica 2 veces la longitud del payload.payload 10 80 Carga útil de 5 datos de 2 bytes cada uno.crc-32 4 32 Se usa para vericar la integridad del payload recibido.

agreagado1 1 8 Se agrega 1 byte con el valor 0x55.agreagado2 3 24 Se agregan 3 bytes con el valor 0x55.

Cuadro 16: Campos del paquete

A los campos agregado1 y agregado2 se les asigna una longitud en bytes de tal forma que lalongitud total del paquete sea múltiplo de 8 bytes.

OBSERVACIONES:

El campo payload tenía un tamaño variable. Este tamaño se indicaba en el campo header repetido2 veces. Cuando se reciba el paquete se comparaba que estos dos valores en el campo header seaniguales, caso contrario se descartaba el paquete. Se optó por retirar el campo header y usar untamaño jo para el campo payload.

Se retiro el campo CRC-32, pues se decidió que en lugar de descartar los paquetes en caso de errorse usaría la técnica de diversidad en tiempo para mejorar la integridad de los datos.

En la documentación nal del proyecto se muestra la nueva estructura del paquete.

B.5. Métodos para la remoción de la componente continua.

(Fecha de referencia: 03 de marzo del 2011)(Archivo de referencia: 20110303_presentacion_metodos_para_remocion_de_DC.odp)(Archivos adicionales : 20110127_Diagrama removedor de DC.odp)Para remover la componente continua agregada a la señal demodulada en recepción se implementaron

2 métodos. En la Figura 60 se muestra la señal demodulada recibida la cual tiene agregada la componenteDC y se indica la parte de la señal correspondiente al sensor de DC.


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Figura 60: Señal demodulada recibida

B.5.1. Método 1 para la remoción de la componente continua.

En este método se toma en cuenta que cuando se empieza a recibir la señal se puede detectar uncambio súbito en su amplitud como se muestra en la Figura 61. Por ello, se usa las muestras del paquetesensor de DC para calcular la componente continua de la señal y removerla como se muestra en laFigura 62.

Figura 61: Señal compleja recibida, se muestra su amplitud y fase.


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Figura 62: Remoción de la componente continua

B.5.2. Método 2 para la remoción de la componente continua.

En este método se usa un promedio móvil para calcular la componente continua y removerla. Debidoa ello, la componente continua calculada cambia a lo largo del tiempo. En la Figura63 se muestra undiagrama de bloques que ilustra el método utilizado.

De donde:

ej∗x[n]: Muestra compleja para el índice n.

s[x]: Señal demodulada con componente DC.

s′[x]: Señal demodulada sin componente DC.

El proceso de demodulación de la señal y la remoción de la componente DC se realiza de la siguienteforma:

A la entrada del diagrama de bloques se multiplica la muestra compleja actual y la muestra complejaanterior:

ej∗x[n] ∗ e−j∗x[n−1]

Luego se calcula la señal demodulada con componente DC como se indica:

s[x] = tan−1(Imag(ej∗x[n]∗e−j∗x[n−1])Real(ej∗x[n]∗e−j∗x[n−1])

)Para obtener la componente DC se usa un ltro pasabajos:DC = fFiltroPasabajos(s[x])Una vez obtenida la componente DC se calcula el siguiente valor complejo: e−j∗DC

Y se obtiene la señal demodulada sin la componente DC usando la siguiente ecuación:

s′[x] = tan−1(Imag(ej∗x[n]∗e−j∗x[n−1]∗e−j∗DC)Real(ej∗x[n]∗e−j∗x[n−1]∗e−j∗DC)

)


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Figura 63: Diagrama de bloques del método 2

En la Figura 64 se graca el promedio móvil calculado de la señal que se muestra en la Figura 60. Comose puede apreciar este promedio no es constante, pero es sucientemente aproximado como para poderremover la componente continua y obtener una señal demodulada resultante que pueda ser usada pararecuperar la información transmitida. En la Figura 65 se puede apreciar el resultado de usar este métodoy en la Figura 66 se hace un acercamiento de la señal con lo cual se aprecia que está aproximadamentecentrada en cero.

Figura 64: Promedio móvil calculado de la señal demodulada


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Figura 65: Señal resultante usando el método 2

Figura 66: Acercamiento de la señal resultante usando el método 2

OBSERVACIONES:

Para que el método 1 funcione adecuadamente se necesita que exista una diferencia apreciable entrela parte donde se recibe la señal transmitida y donde no se recibe señal, en otras palabras unabuena relación de señal a ruido (SNR). Para el caso de comunicaciones vía EEJ esta diferencia noes siempre apreciable, por ello este método no se usó para las pruebas de campo que se realizaronposteriormente.


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El método 2 necesita que el número de muestras positivas y negativas de la señal transmitida,sean aproximadamente las mismas, para que de esta forma se calcule un promedio adecuado de lacomponente continua.

El método 2 calcula el promedio móvil y remueve la componente continua durante todo el tiempoque se ejecute el programa de recepción de datos.

El método 2 fue usado para las pruebas de campo que se realizaron posteriormente.

B.6. Potencia de transmisión del programa de datos.

En las pruebas de laboratorio al usar el sistema de transmisión se observó que la amplitud de laseñal a la salida del equipo USRP era de 100 mVpp, lo cual era insuciente para las siguientes etapas detransmisión. Esto sucedía aun cuando se usaba el máximo valor de amplicación en software. Para lograraumentar la amplitud necesaria se usó la ganancia del equipo USRP usando el parámetro tx-gain=0(ganancia en dB), con lo cual se logra obtener una amplitud de 350mVpp, En la Figura 67 se muestra laseñal a la salida de transmisión del equipo USRP usando un osciloscopio.

Figura 67: Captura de la salida en el osciloscopio en transmisión

OBSERVACIONES:

El rango de ganancias del equipo USRP es desde -20dB hasta 0 dB.

B.7. Pérdida de paquetes de datos.

(Fecha de referencia: 13 de abril del 2011)(Archivo de referencia: 20110413_Analisis de perdida de datos usando otros parametros de ajuste.ods)(Archivos adicionales : PruebasDatosSimuladorEEJ.xls)Cuando se realizaban pruebas de comunicación de datos se podía apreciar que no todos los paquetes

transmitidos eran recibidos. Por tal motivo, se optó por realizar pruebas de laboratorio para determinarel número de paquetes perdidos usando diferentes conguraciones, las cuales están descritas en el archivoPruebasDatosSimuladorEEJ.xls.

Parámetros usados en transmisión:

Interpolación por hardware: 512

Interpolación por software: 50

Parámetro de sensibilidad: 3*pi/2

Parámetros usados en recepción:


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Decimación por hardware: 256

Decimación por software: 50

Parámetro de sensibilidad: 3*pi/2

Número bitrate desviación paquetes paquetes paquetesde muestras (bits/segundo) en frecuencia enviados recibidos perdidospor simbolo (Hz)

4 1250 937.5 10 1.1 8.94 1250 937.5 20 10 104 1250 937.5 50 40.9 9.18 625 468.75 10 5.4 4.68 625 468.75 20 15.2 4.88 625 468.75 50 43.9 6.116 312.5 234.38 10 7 316 312.5 234.38 20 18 216 312.5 234.38 50 47 3

Cuadro 17: Resultados de las pruebas

Los resultados de las pruebas se muestran en el cuadro17. Para estas pruebas se uso un esquema depruebas de laboratorio como el mostrado en la Figura 54 (No se empleó el simulador). Aquí se puedeobservar que cuando se usa un bitrate menor la cantidad de paquetes perdidos es menor y que para unmismo valor de bitrate se tiene el mismo número de paquetes perdidos aproximadamente, por lo que esposible concluir que la pérdida de paquetes se debe al bitrate usado.

OBSERVACIONES:

Posteriormente se revisó que el bloque clock recovery está hecho para trabajar con 4 muestras porsímbolo. Por ello, en pruebas posteriores este parámetro no se debe cambiar y debe quedar jo en 4.

La pérdida de paquetes no debe considerarse como un error en los datos recibidos, es en la etapa detransmisión donde estos paquetes no son enviados.

B.8. Reubicación del bloque de interpolación

(Fecha de referencia: 27 de abril del 2011)En primer lugar, se cambió el parámetro desviacion en radianes que se pasa a los programas de trans-

misión y recepción de datos por el de desviación en frecuencia. Ambos se relacionan con los parámetrosdel bloque de modulación y demodulación GMSK y dicha relación se representa con la siguiente ecuación:

sensradsmps = 2π∆f

fsDe donde:

sensrads: sensibilidad en radianes

mps: muestras por símbolo

∆f : desviación en frecuencia

fs: frecuencia de muestreo

Anteriormente, el programa de transmisión de datos estaba implementado como se muestra en la Figura68. La fórmula usada para relacionar los parámetros empleados en el programa es la siguiente:

Figura 68: Diagrama de bloques del programa anterior de transmisión de datos.


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Por ejemplo, se cuenta con los siguientes valores en el programa:sensrads = 3π

2mps = 4Interpolación por hardware=512Interpolación por software=50El bitrate transmitido puede hallarse de la siguiente forma:Bitrate = ClockDAC ∗ 1

InterpolacionHW ∗1

InterpolacionSW ∗1

mps

Bitrate = 128000000 ∗ 1512 ∗

150 ∗

14 = 1250bps

Es posible hallar también la frecuencia de muestreo a la salida del bloque modulador FM. Este valores de 5 KHz.

Por último, empleando la fórmula descrita al inicio de esta sección, la desviación en frecuencia puedecalcularse de la siguiente manera:

2π∆f5000 = 3π

2 ∗14

∆f = 937.5HzEn las pruebas del programa empleando el simulador de EEJ se observó que no era conveniente que

el ∆f fuera muy pequeño debido al efecto que el ancho espectral del EEJ causa en la señal transmitida.Sin embargo, cuando ∆f tomaba valores grandes se observó que éstos estaban limitados por la frecuenciade muestro del bloque de modulación en frecuencia, la cual no era muy grande, por lo que podía nocumplirse el criterio de Nyquist. Por ejemplo, para fs = 500 y bitrate = 1250, ∆f podía tomar comomáximo un valor de fs

2 − BW , donde BW es el ancho de banda de la señal, el cual es de 1250 Hz. Enel caso del ejemplo, se observa que sí se cumple con el criterio de Nyquist, pero esto no siempre ocurríapara otros valores de los parámetros empleados en las pruebas con el simulador. Por este motivo, con estaimplementación del programa de transmisión la desviación en frecuencia se veía limitada por la frecuenciade muestreo. Se optó luego por reubicar el bloque interpolador por software y colocarlo ahora antes delbloque de modulación en frecuencia, del modo señalado en la Figura 69.

Figura 69: Diagrama de bloques del programa actual de transmisión de datos.

De esta manera, para el ejemplo previo, los valores de los parámetros que cambiaron fueron lossiguientes:

mps = 4 ∗ 50 = 200fs = 5000 ∗ 50 = 250000HzReemplazando en la fórmula descrita, se obtuvo la siguiente ecuación:2π∆f250000 = 3π

2 ∗1

200∆f = 937.5HzSe observa así que ∆f toma el mismo valor que el anteriormente hallado. Sin embargo, debido a que

la tasa de muestreo es mayor (250kHz), se tendrá más libertad para modicar el resto de parámetroscon la nalidad de reducir el porcentaje de caracteres errados en las pruebas de comunicaciones vía EEJ.De esta forma, se cumplirá el criterio de Nyquist sin mayores inconvenientes en el bloque de modulaciónGMSK.

B.9. Problemas encontrados (4 de mayo del 2011)

(Fecha de referencia: 4 de mayo del 2011)(Archivo de referencia: 20110504_pruebas_cambio_en_programa_datos.odt)Se realizaron pruebas usando los siguientes comandos:Comando en transmisión:ralonso@ralonso-desktop:~/workspace/jro_usrp_gui/src/digital_data_3$ ./tx_text.py -w 0


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-T A -f 30M -i 250 -S 8 interp-lter=8 output=2 interp-gmsk2=256 -m gmsk2fmdev=500 message="Esto es una transmision de DATOS ... 1234567890"pathf=/home/ralonso/workspace/jro_usrp_gui/src/digital_data_3/data/tx_0.datComando en recepción:ralonso@ralonso-desktop:~/workspace/jro_usrp_gui/src/digital_data_3$ ./tx_text.py -w 0-T A -f 30M -i 250 -S 8 interp-lter=8 output=2 interp-gmsk2=256 -m gmsk2fmdev=500 message="Esto es una transmision de DATOS ... 1234567890"pathf=/home/ralonso/workspace/jro_usrp_gui/src/digital_data_3/data/tx_0.datComo se puede observar en la Figura 70 la parte inferior de la señal es enviada a la parte superior

Figura 70: Gráca de la señal demodulada en recepción

OBSERVACIONES:

No se tiene más referencias en lo concerniente a este problema, el cual ya no se presenta en el sistemade comunicación de datos.

B.10. Generación de los glitches

(Fecha de referencia: 25 de mayo del 2011)(Archivo de referencia: informes_glitches.doc)Mientras se realizaban pruebas de laboratorio se encontró que se presentaban glitches (caídas abruptas)

en la amplitud de la señal compleja recibida. Estos se muestran en la señal demodulada como un picopositivo o negativo como se puede apreciar en la Figura 71.

Se revisó que con una versión del programa de comunicación de datos (programa A) se generabanglitches, pero cuando se usó una copia del programa de comunicación de datos modicada (programa B)no se producían glitches. A continuación se muestran los parámetros utilizados.

Parámetros de transmisión:

Interpolación de la USRP: 512

Número de muestras por símbolo: 16


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Desviación en radianes: 3π/2


Parámetros de recepción:

Interpolación de la USRP: 512

Número de muestras por símbolo: 16

Desviación en radianes: 3π/2


En la Figura 71 se muestra la señal demodulada recibida. El programa de recepción se ejecutó mientrasse transmitía primero con el programa A y luego con el programa B.

Figura 71: Gráca de la señal recibida demodulada usando el programa A y luego el programa B

De la Figura 71 es evidente que el programa A genera glitches mientras que el programa B no lo hace.En el código fuente de los programas A y B se encontró que la diferencia entre ambos programas era queen el programa A el parámetro que controla la amplitud de la señal transmitida por software tenía pordefecto un valor de 0.9932, mientras que en el programa B este parámetro tenía un valor de 0.5.

Luego, en el programa A se cambió el valor por defecto de amplitud a uno menor, tras lo cual nose obtuvieron glitches en la señal recibida. De ello se deduce que el problema ocurre cuando se usa unvalor cercano a 1 en el parámetro de amplitud por software. Con la nalidad de vericar que el problemaes usar una amplitud cercana a 1, se probaron transmisiones a diferentes amplitudes, lo cual se indica acontinuación.


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Figura 72: Amplitud de la señal compleja recibida.

En la Figura 72 se muestra la recepción de la señal compleja. Para ello se dejó el programa de recepciónejecutándose mientras se transmitía usando diferentes valores de amplitudes: 1, 0.95, 0.8, 0.5. Se apreciaque solo en el primer caso (valor de amplitud 1) se presentan los glitches. Para valores que son menoresque 1 no se presentan estos problemas.

Para vericar lo anterior se probó realizando dos transmisiones. En la primera se usó un valor deamplitud de 1 y en la segunda se empleó un valor de amplitud de 0.25. Se muestran las amplitudes deestas señales en las Figuras 73 y 74, mientras el programa de recepción estaba activado.

Figura 73: Amplitud de la señal compleja transmitida para un valor de amplitud de 1

Figura 74: Amplitud de la señal compleja transmitida para un valor de amplitud de 0.25


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Figura 75: Amplitud de la señal compleja recibida.

En la gráca 75 se muestra la amplitud compleja de la señal recibida, primero usando el valor deamplitud en 1 y luego reduciendo el valor de amplitud a 0.25. En la Figura 73 se pudo apreciar que,aunque se usa un valor de amplitud por software de 1, la amplitud de la señal compleja transmitida llegaa ser mayor que 1 y, aunque solo aumenta unas milésimas de su valor ideal, es suciente para producirlos glitches.

En cambio en la Figura 74 se puede apreciar que aunque esta amplitud varía en unas milésimas, estaseñal no genera glitches como se aprecia en la Figura 75.

Se revisó el código fuente del programa de transmisión de datos y se observó que, antes de que seenvíen las muestras desde la PC hacia el equipo USRP, éstas son multiplicadas por un factor de 215. Estevalor debe ser convertido por la USRP a números enteros que representan los niveles que se envían alDAC (convertidor digital a analógico) para su conversión.

Al parecer si se envían muestras que superan el valor de 1, se supera el valor entero máximo con elque trabaja el DAC y sucedería algo similar que cuando se supera el valor máximo de una variable enterade 8 bits, por lo cual el valor regresa a 0 y de esta forma se produce un glitch.

La forma de la señal en la etapa de transmisión es correcta a la salida de los diferentes bloques,inclusive la que se envía al equipo USRP. Sin embargo, como se muestra en las pruebas, el valor deamplitud transmitida se encuentra por encima del valor máximo con el que trabaja la USRP.

Adicionalmente se hicieron pruebas para vericar si la ganancia de transmisión del equipo USRPinuye en la generación de los glitches. Como se mencionó anteriormente, los valores máximo y mínimode la ganancia de la USRP son respectivamente 0dB y -20dB. A continuación se detallan las pruebas quese realizaron.

Prueba 1Amplitud por software: 0.95Ganancia de la USRP: -18 dBEn la gura 76 se muestra la gráca de la amplitud de la señal recibida.

Figura 76: Gráca de la amplitud de la señal compleja de la prueba 1

Prueba 2Amplitud por software: 0.95Ganancia de la USRP: 0 dBEn la gura 77 se muestra la gráca de la amplitud de la señal recibida.


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Prueba 3Amplitud por software: 1Ganancia de la USRP: -18 dBEn la gura 78 se muestra la gráca de la amplitud de la señal recibida.


En las Figuras 76 y 77 correspondientes a las pruebas 1 y 2 respectivamente, vericamos que aunqueusemos el parámetro de ganancia de la USRP a un valor mínimo o máximo no se generan glitches en laseñal recibida. Por otro lado, en la Figura 78 correspondiente a la prueba 3 se observa que, aunque se useun parámetro de ganancia de USRP bajo pero una amplitud por software de 1 se obtienen glitches.

Por tanto el uso de ganancia de la USRP no genera glitches. Usar un parámetro de amplitud cercanoa un valor de 1 produce que la señal enviada a la USRP tenga valores que exceden el máximo valor conel que trabaja la USRP y se generan glitches. Para evitar que se generen glitches se debe usar un valorde amplitud de la señal por software que asegure que no se exceda el máximo valor con el que puedetrabajar la USRP.

B.11. Interferencias en las pruebas de comunicaciones de datos

Se presentaron interferencias en las pruebas de comunicaciones de datos realizadas el día 24 de agostode 2011. Estas interferencias se presentaron en horas de la tarde, a partir de las 3 pm, aproximadamente.Se presentaron como barridos en frecuencia que abarcaron también el ancho de banda de la señal trans-mitida. Además, su potencia fue comparable a la de la señal transmitida, por lo que afectaron de maneraconsiderable la calidad de los mensajes recibidos.

Estas interferencias fueron identicadas usando el programa FFT_graph_SNR.py, el cual permitegracar el espectro de la señal recibida en banda base, muestreada a una frecuencia de 250 kHz. Paraello, se le ingresa un archivo de datos crudos grabados ese día. La Figura 79 presenta la gráca del espectrode la señal recibida a las 10:33 horas, hora en la que no se presentaron interferencias. En color azul segraca el espectro de la señal y en verde se indica los picos de ésta. La señal recibida es limpia y ocupaaproximadamente un ancho de banda de 3 kHz. Por otro lado, la Figura 80 muestra la gráca del espectrode la señal de datos recibida a las 15:20 horas. Al correr el programa se observa que la señal presenta unainterferencia de gran magnitud que barre el espectro desde 29500-8 kHz a 29500+60 kHz, es decir, desde29.492 MHz hasta 29.56 MHz. Dentro de este ancho de banda se encuentra la señal transmitida, la cualse transmite a 29.5 MHz, por lo que esta interferencia la afecta de manera signicativa.


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Figura 79: Gráca del espectro de la señal de datos recibida a las 10:33 horas sin presencia de interferencias

Figura 80: Gráca del espectro de la señal de datos recibida a las 15:20 horas con presencia de interferencias

En el cuadro 18 se indica para qué tomas se identicó la presencia de interferencias.


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Hora Presencia de Porcentaje de(HHMM) interferencias caracteres correctos

1510 NO 98.60%1510 NO 98.60%1512 NO 97.20%1512 SI 85.31%1514 NO 96.50%1514 SI 84.62%

1520 NO 95.80%1520 SI 84.62%1524 NO 99.30%1524 SI 93.01%

1526 SI 88.81%1526 NO 100.00%1528 NO 99.30%1528 NO 93.71%1530 NO 95.80%1530 SI 94.41%

Cuadro 18: Tomas realizadas desde las 3:10 pm hasta las 3:30 pm

Estas interferencias afectaron de manera considerable la calidad de las tomas recibidas. En el cuadro14 se indica que los últimos tres datos, los cuales son el promedio de las tomas presentadas en el cuadro18, presentaban interferencias. En la tabla 19 se indican los nuevos valores para estos tres últimos datos,para los cuales se consideran solo las tomas que no presentaron interferencias.

Nro Hora M H SNR Caracteres Porcentaje(HHMM) Jic-Piu (nT) (dB) Recibidos Correctos Incorrectos correctos

20 1512 31.7 17 143 140 3 97.73%21 1522 29.8 16 143 140 4 97.55%22 1528 32.1 16 142 139 4 97.20%

Cuadro 19: Valores recalculados de los últimos tres datos del cuadro 14 considerando solo las tomas sininterferencias.

Aquí se observa que el porcentaje de caracteres correctos se mantiene mayor a 97% en todos los casos,contrariamente a lo que ocurría en los resultados iniciales mostrados en el Cuadro 14, en el que los últimostres datos, a partir de las 15:12 horas, presentaban interferencias. Según la tabla referencial de calidad decomunicaciones de datos presentada en el Cuadro 11, debido a que el porcentaje de caracteres correctosse mantuvo por encima del 96%, la calidad de los mensajes fue muy conable en todos los casos. Enpresencia de las interferencias, este porcentaje llegó a disminuir de 97.3% a 93%, aproximadamente, locual afectó de manera signicativa a la inteligibilidad del mensaje. Estos mensajes, según el Cuadro 11,fueron aún conables debido a que se mantuvo por encima del 92%, pero la calidad de los mismos se viocomprometida.

De el cuadro 14 y utilizando los nuevos valores de el cuadro 19 se obtienen las Figuras 81 y 82. LaFigura 81 muestra un gráco de la variación del ∆H Jicamarca-Piura para el día 24 de agosto de 10:33a 15:27 horas (hora local). La Figura 82 muestra un gráco del porcentaje de caracteres correctos de losmensajes recibidos sin considerar los datos en los que se presentaron interferencias. Se observa que, a pesarde que el parámetro ∆H ha disminuido ya considerablemente a partir de las 14:48 horas, el porcentajede caracteres correctos no baja de 97%, lo cual permite que el mensaje sea aún muy conable.


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Figura 81: Gráca del valor de ∆H para el día 24 de agosto de 2011 considerando la remoción de losdatos con interferencias

Figura 82: Gráca del porcentaje de caracteres correctos para el día 24 de agosto de 2011 considerandola remoción de los datos con interferencias


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REFERENCIAS

[1] FORBUSH, S. and M. Casaverde. Equatorial Electrojet in Perú. No.620. Carnegie Institu-tion of Washington, 1961.

[2] CHOCOS, J. Diseño y establecimiento de un enlace de radiocomunicaciones VHF puntoa punto vía el Electrochorro Ecuatorial. Tesis (Licenciatura para Ingeniero Electrónico).Lima, Perú, Ponticia Universidad Católica del Perú, Facultad de Ingeniería, 2005.

[3] HERAUD, J. Estudios de propagación utilizando el fenómeno de dispersión en el Electro-chorro Ecuatorial. Informes Preliminares No. 1, 2, 3 y 4. Instituto Geofísico del Perú, Lima,1972.

[4] VALLADARES, C. and R. Woodman. Simulación digital-analógica por computadora decomunicaciones vía el Electrochorro Ecuatorial. III CONIMERA, Lima, 1975.

[5] YOZA, N. Mejoramiento de las comunicaciones analógicas y digitales vía el Electrochor-ro Ecuatorial empleando diversidad. Tesis (Licenciatura para Ingeniero de Telecomunica-ciones). Lima, Perú, Ponticia Universidad Católica del Perú, Facultad de Ingeniería, 2009.

[6] Ettus Research. http://www.ettus.com/

[7] GNU Radio. http://gnuradio.org/

[8] HAMZA, F. USRP Documentation. http://gnuradio.org/redmine/attachments/129/USRP_Documentation.pdf


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