Introducción a la Radio [Documento Técnico]

Octubre 9 2007

Tabla de Contenidos:

Introducción
Los Fundamentos de los Sistemas de Radiofrecuencia
Frecuencias y Modulación
Administración de las Ondas de Radio con Protocolos de Comunicación
El Efecto del Medio Ambiente y la Interferencia en la Propagación de las Ondas de Radio
Sistemas Inalámbricos de Banner
Glosario

Introducción

Los productos de comunicación inalámbrica, como los teléfonos celulares y la radio por satélite, se han convertido en una parte de la vida cotidiana de hoy como el microondas hace dos décadas. Durante los próximos años, esta tecnología se extenderá desde los productos de consumo hasta el taller. Los ingenieros y gerentes de automatización y proceso necesitan entender la tecnología de radiofrecuencia (RF) para evaluar e implementar correctamente los muchos productos de automatización inalámbrica que pronto estarán disponibles para ellos.

Trabajar con productos inalámbricos, que utilizan el aire como el medio de comunicación, ofrece desafíos diferentes a sus homólogos de productos cableados más familiares. Las primeras apariciones de los productos de automatización inalámbrica a menudo dejaron al comprador sintiéndose confundido y maltratado. Ofrecían un rendimiento irregular y eran difíciles de instalar, configurar y mantener.

Afortunadamente, la nueva generación de productos inalámbricos es más fácil de usar. Además de consumir mucho menos energía, estos nuevos productos son fáciles de configurar e instalar, ofrecen herramientas integradas para monitorear la confiabilidad de la conexión inalámbrica y pueden integrarse fácilmente con la infraestructura cableada existente.

Pero antes de implementar un sistema de control de instrumentación RF en una instalación, es importante entender los conceptos básicos de la tecnología, sus ventajas y sus limitaciones. Este documento describe los principales elementos de un sistema RF y cómo trabajan juntos para mover los datos de los sensores de un punto a otro.

Componentes Básicos de RF
Frecuencias comúnmente utilizadas en el diseño de productos RF
Diferentes técnicas de modulación para señales RF
El efecto del medio ambiente y la interferencia en la radio
Este documento es el primero de una serie sobre tecnología inalámbrica

Los Fundamentos de los Sistemas de Radiofrecuencia

Todos los sistemas RF constan de dos elementos principales: un transmisor y un receptor. Como los nombres implican, un transmisor transmite una señal a un receptor, que escucha la señal.

El sistema incluye un conjunto de reglas que definen cómo se comunican el transmisor y el receptor. Un conjunto de reglas puede simplemente especificar que el transmisor debe comunicarse con el receptor en una frecuencia específica. Los conjuntos de reglas más complicados definen no sólo la frecuencia, sino también el momento en que el transmisor y el receptor se comunican, el "alto" que pueden hablar, el "idioma" que hablan y qué hacer si no pueden "oír" unos a otros. Las agencias gubernamentales reguladoras como la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) establecen estas reglas, al igual que los grupos de normas nacionales e internacionales, como el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE).

RF systems include a transmitter to send the radio signal and a receiver to receive it.

Problemas con Diseños Tempranos

En sistemas de RF tempranos, un transmisor estaba conectado a un sensor que transmitía información a un receptor simple. Los primeros sistemas tenían un ancho de banda limitado: el rango de frecuencias que transmitían y la cantidad de datos transmitidos en esa banda. Normalmente los datos viajaban en una sola frecuencia, un sistema llamado banda estrecha.

Debido a las limitaciones de la tecnología de circuitos integrados tempranos (IC), el transmisor sólo podía transmitir y el receptor sólo podía recibir. Sin comunicación bidireccional, era imposible saber si el receptor estaba recibiendo toda la información que el transmisor estaba enviando.

Además, a veces el receptor no recibe la señal, porque las señales pueden degradarse o atenuarse, ya que se reflejan o pasan a través de objetos tales como paredes o archivadores. El sistema de RF no sabía que la señal transmitida se había perdido, porque el receptor no podía reconocer, o ACK, la recepción.

Debido a que la confiabilidad era pobre, los que probaron estos sistemas fueron generalmente decepcionados y desarrollaron una visión cansada de los sistemas RF.

Mejoras en el Diseño del Sistema RF

A medida que la tecnología evolucionó, el diseño de la radio vio mejoras importantes en tres áreas clave:

Tecnología IC Tanto el transmisor como el receptor fueron incorporados en un solo componente, llamado transceptor. El transceptor hace que sea económico implementar comunicaciones bidireccionales, mejorando drásticamente la confiabilidad y mantenibilidad.
Componentes RF de mayor frecuencia. Debido a que los componentes de alta frecuencia generalmente operan a través de una banda RF más amplia, transmiten más datos que sus contrapartes de baja frecuencia. Un inconveniente es que las frecuencias más altas se degradan -esto es, se absorben- más fácilmente a medida que pasan a través de objetos, lo que disminuye el rango. Para contrarrestar este efecto, los diseñadores añaden amplificadores al transmisor y diseñan receptores más sensibles, aumentando el costo.
Propagación de la Modulación del Espectro. La modulación es la forma en que los datos se imprimen en una onda de radio. Hoy en día, muchos sistemas de radio utilizan una técnica llamada espectro ensanchado para modular datos a través del ancho de banda de la radio. El espectro de dispersión permite que varios usuarios compartan el mismo canal de frecuencia al mismo tiempo.

Hoy en día se usan dos tecnologías diferentes de espectro ensanchado:

Espectro de Dispersión de Secuencias Directas (DSSS) y Espectro de Dispersión de Saltos de Frecuencia (FHSS). Algunos esquemas híbridos utilizan DSSS y FHSS. Otro esquema de modulación comúnmente utilizado en las bandas de ISM -los utilizados para la industria, la ciencia y la medicina- es Orthogonal Frequency-Division Multiplexing
(OFDM). Dos nuevas técnicas de modulación de espectro compartido son la banda ultralarga (UWB) y la modulación del chirrido, ambas están ganando popularidad.

Para una descripción de la historia del espectro ensanchado y de los diversos tipos de espectro ensanchado, vea el tutorial de ISA "The Physics of Radio.”

A narrowband signal occupies far fewer radio frequencies than a broadband signal.

Two familiar modulation schemes are AM and FM. AM radios use amplitude modulation to transmit data (such as music or speech), while FM radios use frequency modulation. Both AM and FM are narrowband—you must tune your receiver to a specific transmit frequency to listen to a particular type of data. One of the many limitations of narrowband modulation schemes is that transmitters cannot share the same frequency. As a result, only one radio station can broadcast on 92.9 on the FM dial, for example, in any given geographical area.

Frecuencias y Modulación

Las primeras preguntas que debe tener un diseñador de producto al diseñar un producto que usa un sistema de radio ISM son las frecuencias que el producto utilizará. La frecuencia debe proporcionar suficiente ancho de banda para permitir que la velocidad de transferencia de datos supere las necesidades del producto -incluso con aplicaciones intensivas en datos- para mejorar la confiabilidad y mejorar la duración de la batería.

La segunda pregunta que el diseñador suele considerar es el tipo de esquema de modulación que se emplea para imprimir datos en las ondas de radio emisoras. La mayoría de los diseños hoy en día utilizan algún tipo de tecnología de espectro extendido. Para tecnologías como WiFi que deben transferir datos rápidamente, el IEEE ha normalizado la tecnología DSSS. Debido a que no existe tal estándar hoy en día para sistemas de detección industrial, los productos de detección inalámbrica de hoy todos usan un protocolo de comunicación patentado.

Los dos diseños de espectro de propagación más populares son Direct Sequence (DS) y Frequency Hopping (FH). Los sistemas DS y FH utilizan este ancho de banda de forma muy diferente.

Other considerations include the range’s universality, which is important for products marketed internationally; and the wide availability of transceiver components.

DS modulation spreads a lowlevel signal over a specific range of frequencies simultaneously. FH transmits a data signal over a different carrier frequency at different times, following a specific pattern.

Secuencia Directa

En un sistema DS, los datos a transmitir, o señal de entrada, se aplican a un circuito, llamado spreader, que utiliza software para aplicar una secuencia de codificación única a los datos. El sistema distribuye los datos de forma aleatoria a través del ancho de banda y los emite al aire a un nivel de potencia muy bajo ya un tiempo determinado.

En el otro extremo del enlace de radio, esencialmente al mismo tiempo, un receptor escucha los bajos niveles de señal y aplica la misma secuencia de codificación a los datos. Si los datos parecen significativos, el receptor lo procesa a la salida del transmisor. Si la información no es significativa, el receptor asume que es ruido y descarta la información.

La secuencia de codificación única es el elemento clave, ya que permite a muchos sistemas DS diferentes utilizar la misma gama de frecuencias sin interferir entre sí.

Salto de Frecuencia

En el sistema FH, el ancho de banda se utiliza de forma diferente. En estos sistemas, el ancho de banda se divide en múltiples bandas o canales de frecuencia más pequeños. El sistema rompe los datos para ser transmitidos en trozos más pequeños. El transmisor transmite entonces estos trozos a través de los diversos canales de acuerdo con un patrón único, conocido como patrón de código de salto.

El receptor se sincroniza con el transmisor y escucha los canales únicos en el orden del patrón de código de salto. De esta manera, los datos se reensamblan y se emiten desde el sistema RF.

Administración de las Ondas de Radio con Protocolos de Comunicación

Como la tecnología nos permite construir sistemas de radio que operan a través de una amplia gama de frecuencias y que muchos usuarios usan las mismas frecuencias, surge una pregunta obvia: ¿cómo manejamos el acceso a este medio aparentemente inagotable e invisible que se utiliza cada vez más para diferentes tipos de comunicaciones?

A su vez, las agencias gubernamentales que administran el acceso al espectro de radiofrecuencia son asesoradas por asociaciones de normalización, como el IEEE y grupos de interés especial como la Asociación de Telecomunicaciones y Internet Celulares (CTIA). En los Estados Unidos, la FCC ha dividido y asignado frecuencias en el espectro RF para literalmente cientos de usos diferentes.

Por ejemplo, las bandas ISM se asignan para fines industriales, científicos y médicos. Cada banda ISM incluye un rango de frecuencias. La banda de 900 MHz de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) de Europa tiene un ancho de banda de 26 MHz, de 902 a 928 MHz. La banda de 2.4 GHz de la UIT oscila entre 2.4 y 2.5 GHz y la banda de 5.8 GHz oscila entre 5.725-5.875 GHz.

Tenga en cuenta que cada banda GHz es más ancha que 100 MHz.

Cuando se combina un esquema de modulación con las reglas y regulaciones que rigen el uso de una banda de frecuencia, el método resultante que los transmisores y receptores usan para hablar entre sí se denomina protocolo de comunicaciones.

Multi-Path Fading is one cause of attenuation. Multi-path fading happens when radio signals reach the receiver through more than one path. In industrial settings, a received signal may include signals reflected off buildings, equipment, trees or the ground, as well as the line of sight signal.

El Efecto del Medio Ambiente y la Interferencia en la Radio

El Efecto del Medio Ambiente y la Interferencia en la Propagación de las Ondas de Radio

En un mundo perfecto, sin interferencias, grandes diseñadores de radio y un ambiente perfectamente benigno, los sistemas DS y FH funcionan igualmente bien. Pero el mundo no es perfecto y la interferencia sí existe. Una vez que nos movemos fuera del laboratorio y en las plantas de automóviles, acero, refinerías y plantas de fabricación de cereales del mundo, los factores ambientales, como la absorción de ondas de radio y la reflexión puede afectar significativamente el rendimiento de radio.

La Calidad del Enlace de RF Varía

La probabilidad de recepción a una frecuencia dada en un canal particular en un momento particular varía. Es por eso que una conexión de teléfono celular puede caer, incluso cuando ambas partes de la llamada están parados. Una señal caída se conoce como pérdida de enlace de radio.

Una forma de abordar el problema es variar, o saltar, la frecuencia de acuerdo con un patrón predefinido. Con salto de frecuencia, si la interferencia en una frecuencia evita que se reciba un paquete de datos, el transmisor se mueve a la siguiente frecuencia en el patrón y reenvía el paquete de datos.

Una solución alternativa es construir intencionalmente caminos múltiples entre el transmisor y el receptor. Esta alternativa se discute con más detalle en un próximo libro blanco sobre redes.

Los interferentes degradan el rendimiento de la radio

Los interferentes son objetos que bloquean las señales de radio o generan interferencias eléctricas. Los interferentes reflejan, refractan o absorben las señales de radio, dando como resultado la pérdida de señal. Las interferencias comunes incluyen objetos, paredes, techos y otras radios. Al igual que con el problema de la pérdida de enlace de radio, salto de frecuencia puede ayudar a estabilizar el camino.

Sistema SureCross de Banner

Para el sistema SureCross, Banner Engineering ha desarrollado ofertas tanto en la banda de 900 MHz como en la de 2,4 GHz.

Banner eligió la banda de 900 MHz porque ofrece un diseño de bajo costo y amplio rango, y la tasa de procesamiento de datos supera las necesidades de la mayoría de las aplicaciones de detección esperadas.

Banner también ofrece un diseño de 2.4 GHz, ya que los sistemas de 900 MHz no pueden ser utilizados en Europa o en muchas partes de Asia, mientras que 2.4 GHZ tiene amplia aceptación mundial. Ofrece un mayor ancho de banda para aplicaciones que requieren mucha información—es decir, se necesita menos tiempo para transmitir un paquete de datos más pequeño, lo que puede mejorar la duración de la batería. Además, los componentes del transceptor están ampliamente disponibles.

El sistema SureCross de Banner utiliza saltos de frecuencia para mejorar la confiabilidad. Divide las bandas de 900 MHz y 2,4 GHz en 27 canales únicos. Se definen 16 patrones de salto pseudoaleatorios únicos a través de estos 27 canales: el ID de red determina qué código de patrón de saltos se utiliza. Treinta y dos sistemas Banner SureCross diferentes pueden coexistir en el mismo espacio físico sin interferencias: 16 a 900 MHz y 16 a 2.4 GHz.

Definiciones

Term	Definition
ACK	To acknowledge a radio signal
AM	amplitude modulation
bandwidth	range of frequencies a radio channel broadcasts across and the amount of data that can be transmitted within that band
communication protocol	combination of modulation scheme and the rules and regulations governing the use of a frequency band
CTIA	Cellular Telecommunications & Internet Association
DSSS	Direct Sequence Spread Spectrum
IEEE	Institute of Electrical and Electronics Engineers
FCC	Federal Communications Commission
FHSS	Frequency Hopping Spread Spectrum
FM	frequency modulation
hop	to change the frequency of a data transmission, based on an established pattern or order
hop code pattern	unique, predetermined pattern a transmitter uses to broadcast units of data across several channels to ensure a continuous signal. Used in a Frequency Hopping (FH) system.
IC	integrated circuit
input signal	data to be transmitted
interferers	objects that reflect, refract, or absorb radio signal
ISM	radio bandwidth for industrial, scientific, and medical use
ITU	International Telecommunications Union
modulation	pattern of data in a radio wave
multi-path fading	radio wave transmission phenomenon in which radio signals reach a receiver through more than one path
narrowband	single frequency radio system
network ID	identifier for every device in a given network
OFDM	Octogonal Frequency-Division Multiplexing, a modulation scheme
radio link loss	oss of the signal between a transmitter and receiver
RF	radio frequency
spread spectrum	technique for modulating data across a bandwidth
spreader	circuit that uses software to apply a unique coding signal to data. Used in Direct Sequence (DS) systems
transceiver	integrated circuits (ICs) that incorporate both the transmitter and receiver in a single component

Productos Destacados

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Gateways y Nodos de la Serie Performance

Cree redes punto a multipunto que distribuyan E/S en áreas grandes. Los tipos de entrada y salida incluyen discreto (contacto seco, PNP/NPN), analógico (0 a 10 V CC, 0 a 20 mA), temperatura (termopar y RTD) y contador de impulsos.