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LA IONOSFERA,
¿UNA ALTERNATIVA REAL PARA LAS
TELECOMUNICACIONES?
José Manuel Elena Ortega
Joaquín Luque Rodríguez
Depto. de Tecnología Electrónica
Enero de 1994
Cables fulgurantes
entre
centelleantes rayos
y fatales cortocircuitos.
Placas madre y circuitos ahijados
se preparan a recibir
la descarga determinante.
Integrados y desintegrados
comienzan a ronronear
como un elefante sobre la roca
de los vientos eléctricos.
Y finalmente llegó la hora.
Y finalmente llegó el microsegundo.
Y finalmente los robots
funcionaron
entre chirriantes y oxidados
gemidos.
Tomy
1
SUMARIO
1 INTRODUCCIÓN ......................................... 2
2 LA IONOSFERA ......................................... 6
3 EL FENÓMENO FÍSICO ................................... 12
4 LA PROPAGACIÓN REAL .................................. 19
5 LA CALIDAD DE LA SEÑAL ............................... 35
6 LA ELECCIÓN DE LA FRECUENCIA ......................... 44
7 LA AUTOMATIZACIÓN DEL ENLACE ......................... 57
8 REFERENCIAS .......................................... 68
2
1 INTRODUCCIÓN.
Podría parecer que la utilización de la ionosfera con el fin de establecer comunicaciones
radioeléctricas es equiparable al uso de la vela para navegar por el mar, algo deportivo,inclusorománti-
co, pero no realmenteútil,yaquelaexistencia en la actualidad de múltiples satélites de comunicaciones
con cientos de canales permanentemente dispuestos para ser utilizados, hace aparecer a las
comunicaciones a larga distancia por vía ionosférica como algo periclitado y sin utilidad prácticaalguna.
Estafueunaopinióngeneralizadaduranteladécadadelossetenta,puesmientraslacapacidady
fiabilidad de los satélites de comunicaciones crecía, también se creía que eran inmunes a cualquier
intervención extraña que pretendiera alterar sus funciones o ponerlos fuera de servicio. Era por tanto
lógico que se les considerara como los elementos ideales para una comunicación fiable, a pesar del
serio inconveniente que representaba su alto coste, tanto en el orden económico como en la necesaria
dependencia tecnológica respecto a unos pocos países, los únicos capaces de construir y poner en
órbita tales ingenios.
Todo ello condujo a la pérdida sistemática de los conocimientos depositados en operadores
expertos, a la drástica disminución de los fondos empleados en la investigación y el desarrollo de
sistemas en este campo y a la creencia generalizada enquelascomunicacionesionosféricasenHFeran
3
algo del pasado y utilizables tan solo cuando no había ninguna otra posibilidad real de establecer el
enlace deseado, o bien para fines lúdicos -Servicio de Radioaficionados- [GOO92].
Sin embargo, es en la década de los ochenta cuando se inicia un cambio de actitud en todo este
proceso. El elevado costo de la sustitución de todas las comunicaciones que con anterioridad se
realizaban en HF por los enlaces vía satélite, unido a los avances tecnológicos en los métodos de
interferencia y destrucción de los mismos, -misiles antisatélite, pulsos electromagnéticos de alta
intensidad producidos por explosiones nucleares en la alta atmósfera, haces de microondas de alta
densidad energética, etc-, da lugar a que se comience a pensar que la evolución de los sistemas de
comunicaciones no era totalmente satisfactoria y empiece a considerarse como ni económica ni
estratégicamente adecuada, por parte de un número cada vez mayor de países, la dependencia total de
todas la comunicaciones de un sistema caro y demostradamente vulnerable.
Como consecuencia pues de todo lo anteriormente expuesto, vemos cómo en la actualidad
existe un renovado interés por el uso de las comunicacionesporvíaionosférica [MAS90], favorecido
por los continuados avances en la tecnología electrónica empleada en la fabricación de equipos de
comunicaciones en HF -síntesis digital de frecuencia, filtros activos, control de los equipos mediante
ordenador, etc-, unido a la posibilidad de grandes potencias de cálculo ligadas a pequeños sistemas -
ordenadores de la línea PC-, con elevadas velocidades de reloj y grandes cantidades de memoria,tanto
central de funcionamiento como de almacenamiento, todo ello a precios sorprendentemente bajos.
4
Muestra de este interés por las comunicaciones en HF es el intento de crear una nueva genera-
ción de equipos de radiocomunicaciones inteligentes, capaces de crear y mantener los enlaces de
manera automática, los denominados HF ALE RADIOS -High Fre-cuency Automatic Link
Establishment Radios-, para los cuales hay propuestos cinco nuevos estándares federales en los
EE.UU. de Norteamérica [ADA92], dentro del FTPS -The Federal Telecommuni-cation
Standards Program- para el NCS -National Communications System- [BOD85].
Otro factor favorable a tener en cuenta es el cambio realizado en las condiciones sociopolíticas
en el mundo, debidas al cese de la política de confrontación de bloques, que hace que el uso comercial
de la radiodifusión en HF predomine sobre el uso político realizado de manera prioritaria hasta enton-
ces, con todo lo que ello significa de aportación de fondos económicos a la investigación en este área.
Es conveniente hacer notar también el destacado papel que vuelven a tener las comunicaciones
a larga distancia vía HF en los sistemas de comunicaciones militares [WAL92,SAL92], en las
comunicaciones diplomáticas y en la coordinación de la ayuda nacional e internacional en caso de
desastre a través de los servicios de Protección Civil, Radioaficionados, Cruz Roja y Creciente Rojo.
Existen, no obstante, algunos factores negativos en este proceso,talescomolafaltadepersonal
con experiencia en general y lo escaso del número de grupos de investigación en este área, entre los
cuales es necesario mencionar al Grupo VIdel CCIR -ComitéConsultivoInternacionaldeRadio-,
perteneciente a laITU -Unión Internacional de Telecomunicaciones-, que ha logradomantenervivo
el interés por este campo de la investigación en tiempos muy difíciles.
5
Es en este sentido de evitar las dificultades generadas por la falta de personal suficientemente
formado, utilizando las facilidades tecnológicas actuales en lo que a posibilidades de cálculo
automatizado y bajo precio de los equipos necesarios se refiere, en el que desean avanzar los trabajos
que a continuación se exponen y a los que estas líneas pretenden servir de introducción.
6
2 LA IONOSFERA.
La ionosfera es una capa atmosférica alta, dotada de una gran conductividad eléctrica gracias a
los electrones liberados en la intensa ionización producida por la radiación solar, básicamente en las
porciones ultravioleta y de rayos X de su espectro, y en menor medida por las partículas cargadas
generadas por el Sol junto a los rayos cósmicos.
Se extiende entre los 50 y 2000 Km de altitud sobre la superficie terrestre, dividiéndose por
razones históricas en tres capas o regiones denominadas D, E y F en orden creciente de altura y
concentración de electrones, cumpliendo las capas E y F el papel de reflector de las ondas
radioeléctricas y siendo la capa D la principal causante de la atenuación sufrida por las mismas entre las
frecuencias de 2 y 30 MHz -HF- y la responsable también de la reflexión de las ondas de muy baja
frecuencia -VLF- y extra baja frecuencia -ELF-.
Alsersuorigenlaradiaciónsolarfundamentalmente,eslógicoesperar,comoasísucede,quela
intensidaddelaionización dependa de la intensidad de dicha radiación y de la trayectoriaocaminoque
la misma recorra a través de la atmósfera. Esto se traduce en una mayor ionización de las capas
7
atmosféricas más altas y en unarelación inversaentrelaionizaciónmedidayelángulo solar cenital1
,
con un valor máximo donde éste ángulo sea cero.
Asímismo constatamos una relación directa entre las variaciones en la altura, la concentración
de electrones y el comportamientodelasdistintas capas ionosféricas y los cambios reflejadosenlaacti-
vidad solar durante el día, a través de las distintas estaciones del año y a lo largo de los sucesivos ciclos
solares.
La actividad de la ionosfera en lo que a su papel dentro de la comunicación a larga distancia
-CLD- le corresponde, depende de la intensidad de ionización de la misma, la cual, como ya hemos
comentado, es fiel reflejo de la actividad solar. Esta a su vez mantiene una relación directa con el
número de manchas solares existentes en cada momento, cuyo número varía cíclicamente con una
periodicidad de 10.7 años, aunque nos referiremos en general al ciclo de los 11 años, siendo éste sólo
un valor medio, pues se han registrado ciclos de 7.3 años como el más corto y de 17.1 años como el
más largo [ARR92].
1
Ángulo delimitado entre la recta que une un punto de la superficie terrestre con el sol y la vertical de ese punto.
Un número elevado de manchas solares provoca una fuerte radiación solar con gran ionización
en las capas altas de la atmósfera que es entonces capaz de devolver a la tierra frecuencias de hasta 40
8
MHz, mientras que por el contrario un bajo número de manchas y la baja actividad solar que le acom-
paña hace que descienda fuertementelaionización,convirtiendo en prácticamenteinútilesparalaCLD
las frecuencias situadas por encima de los 20 MHz.
La indicación de la actividad solar podemos obtenerla para propósitos estadísticos y
actividades retrospectivas de investigación a través del International Sunspot Number -ISN-
[ARR92], calculado mensualmente mediante la media suavizada del número de manchas solares conta-
bilizadas durante los seis meses anteriores y los seis posteriores al mes en cuestión.
Si lo que necesitamos es la actividad solar actual la obtendremos a través del flujo de ruido
radioeléctrico en la frecuencia de 2.800 MHZ [CCI90], que ha demostrado ser una buena indica-
ción del flujo solar. Se le acostumbra a denominar flujo solar en 10.7 centímetros y es transmitido
por la estaciones patrón de frecuencia y tiempo WWV-Ft.Collins, Colorado, USA- en el minuto 18
de cada hora y WWVH -Kauai, Hawaii, USA- en el minuto 45 de cada hora, en las frecuencias de
1.5 MHz, 5 MHZ, 10 MHz 15 MHz y 20 MHz. Estas emisiones además de su utilidad como patrón de
frecuencias y tiempo pueden servir como balizas para la comprobación de las predicciones de
propagación que realicemos [ARR92].
Las capas ionosféricas que han demostrado tener relación con la CLD son las siguientes
[CCI90a]:
9
Capa F: Se extiende por encima de los 130 Km y es la más alta de todas las capas que
componen la ionosfera, dividiéndose durante el día en dos subcapas, laF1 ode
Appleton entre los 130-210 Km y la F2 o de Van Allenentre los 250-400
Km de altura.
La subcapa F1 alcanza una densidad electrónica máxima de 2·1011
e/m3
,existiendo
sólo durante el día, y si bien puede cumplir el papel de deflectora de algunas frecuen-
cias, es más frecuente que actúe como atenuadora de las frecuenciasquesereflejanen
la subcapa F2.
La subcapa F2 presenta una densidad típica de electrones de 1012
e/m3
durante eldía
y de 5·1010
e/m3
durante la noche, siendo la principal zona deflectora responsable de
la comunicación a larga distancia, con una máxima distancia de salto único de 4000
Km. Su comportamiento es difícil de modelar, debido a que está influida por los
vientos, por distintos efectos electrodinámicos y por la variacióndelaionizacióndebida
a la diferente radiación solar durante el día y la noche, durante el curso de las distintas
estaciones del año y a lo largo del ciclo solar de los once años.
Capa E: También denominada deHeadviside-Kennelly,estásituadaentrelos90-130
Km de altura sobre la tierra e incluye a la capa E normal y a las denominadas
capas esporádicas E -Es-.
10
La capa normal E es homogénea y existe sólo durante la radiación solar directa, alcan-
zando por tanto su máximo durante el mediodía local y desapareciendo durante la
noche, ya que aquí la atmósfera es todavía lo suficientemente densa para que pueda
existir una gran recombinación de los iones generados por la actividad solar. Presenta
por tanto una fuerte dependencia del ángulo solar cenital, con máximos en su densidad
electrónica durante el verano en lo que a la variación estacional se refiere e in-
crementándose asimismo al aumentar el número de manchas solares. Este máximo es
del orden de los 1011
e/m3
a la altura de 110 Km. Durante la noche desaparece
prácticamente, quedando sólo restos de la ionización existente durante el día. Es la
capa ionosférica mas baja y aún capaz de ser útil en la CLD, siendo muy adecuada
para la propagación diurna a distancias menores de 2.000 Km.
Las capas Esporádicas-E, tienen su origen en la existencia de zonas relativamente
densas de ionización situadas a unos 110 Km de altura, produciéndose únicamente en
determinadas estaciones del año. No dependen de la actividad cíclica solar y son
especialmente útiles en los períodos en los que la baja actividad solar deja cortada la
propagación en las bandas por encima de los 21 MHz.
Capa D: Situada a 50-90 Km sobre la tierra. Tiene una actividad directamente
proporcional a la radiación solar recibida, presentando unos valores máximos
de ionización de 108
-109
e/m3
inmediatamente después del mediodía local y
11
bajando a valores muy pequeños durante la noche, manteniendo asimismouna
pronunciada variación estacional.Produce un marcado efecto de absorciónde
toda señal que pasa a través de ella, siendo esta absorción inversamente
proporcional a la raíz cuadrada de la frecuenciautilizada.Suincrementodiurno
ycorrespondientedisminuciónnocturna marcan lamínimafrecuenciautiliza-
ble -LUF- para un determinado recorrido entre dos estaciones.
12
3 EL FENÓMENO FÍSICO.
Cuando una onda de radio penetra en la ionosfera su campo eléctrico asociado imprime a los
electrones liberados en la ionización producida por la radiación solar, un movimiento de oscilación que
les hace volver a radiar como nuevos emisores, proceso en el cual podemos observar dos fenómenos
distintos, uno de cambio de velocidad del frente de onda que produce la refraccióndelmismoyotrode
cambio de la polarización de la onda reemitida, debido este último a la influencia del campo magnético
terrestre sobre los orbitales afectados por los procesos de absorción-reemisión de la onda de radio.
Veamos a continuación como una onda de radio de una frecuencia determinadaquellegacon
un ángulo de incidencia adecuado, al encontrar un medio con una concentración crecientedeelectrones,
sufre sucesivas refracciones hasta retornar a la tierra.
Si ignoramos la influencia de campo magnético terrestre el índice de refracción de la ionosfera
viene dado por la expresión siguiente [MAS90],
n2
= 1 - (fN / f)2
(3.1)
13
donde f es la frecuencia de la onda incidente y fN es la denominada frecuencia de resonancia2
,
proporcional a la raíz cuadrada de la concentración de electronesycuyovalorvienedeterminadoporla
expresión,
fN = 9 N 1/2
(3.2)
Al ascender en la atmósfera vamos desde una concentración de electrones nula, con un índice
de refracción igual a uno3
, hacia una concentración creciente de electrones, con su correspondiente
disminución en el índice de refracción. Esto quiere decir que si la anchura de la capa ionizada es sufi-
ciente, la refracción de una onda radioeléctrica incidente continuará hasta que alcance los noventa
grados.
A partir de aquí el proceso continuará y la onda retornará de nuevo a la tierra por simetría, ya
que ahora tendremos una onda de regreso que penetrará en una ionosfera de densidad electrónica
decreciente e índice de refracción creciente, con un ángulo inicial de incidencia de noventa grados.
2
También denominada frecuencia de plasma.
3
Como obtenemos de la expresión 3.1, ya que si N = 0 entonces de 3.2 se deduce que fN = 0, con lo que n = 1.
14
Si bien la variación de la concentración de electrones es continua y la trayectoria de la onda es
una curva también continua, modelaremos este proceso como si existiera un número casi infinito de
capas de un ancho casi nulo.
Aplicando la ley de Snell en el límite de
cada capa obtendremos,
n0 sen t0 = n1 sen t1 = n2 sen t2 = ....= nn sen tn (3.3)
Para un rayo que entre en la ionosfera bajo un ángulo de incidencia t0 desde la atmósfera no
ionizada, donde n0 = 1, la reflexión tendrá lugar cuando tn valganoventa grados, o lo que es lo mismo,
sen tn = 1
Llevando estas consideraciones a la expresión (3.3) llegamos a la conclusión de que la reflexión
tendrá lugar a una altura donde la ionización tenga un valor que haga que el coeficiente de refracción
sea,
n = sen t0 (3.4)
15
Para un incidencia vertical, donde sen t0 = 0, la reflexión ocurre a la altura donde n = 0. De la
ecuación (3.1) deducimos que esto ocurre cuando, f = fN .
SifV es la frecuencia reflejada en incidencia vertical a la altura donde la frecuencia de plasma es
fN, obtenemos para la onda que incide oblicuamente la siguiente expresión,
n2
= sen2
t0 = 1 - (fN /f)2
= 1 - (fV / f)2
(3.5)
y por tanto,
(fV/f)2
= 1 - sen2
t0
luego,
(fV/f)2
= cos2
t0
y
fV/f = cos t0
16
o, lo que es lo mismo,
f = fV sec t0 (3.6)
Esto nos lleva a la conclusión de que una onda de frecuenciafqueincideenlaionosferabajoun
ángulo t0 será reflejada a la misma altura donde la intensidad de ionización electrónica sea suficiente
para producir la reflexión de una onda de incidencia vertical y frecuencia,
fv= f cos t0
es decir, una determinada capa ionosférica reflejará siempre frecuencias más altas con una incidencia
oblicua que con incidencia vertical.
El análisis de una situación ionosférica determinada se realiza frecuentemente mediante sondeos
verticales, comprobando el valor de fV o frecuencia máxima que en ese momento se refleja bajo un
ángulo de incidencia vertical. A esta frecuencia se le denomina frecuencia crítica -fo-.
Vemos como al aumentar el ángulo de incidencia también aumenta la frecuencia
máxima utilizable junto al alcance,siendo esto último por razonesgeométricas evidentes-fig.3.2ra-
yos 3 y 4-.
17
Asimismo vemos como en un frente de ondas que estaba siendo reflejadohacialatierra, al dis-
minuir el ángulo de incidencia, llega un momento en el que en lugar de reflejarse totalmente se refracta
realizando una penetración lateralenlaionosfera -fig. 3.2 rayo 1-, pudiendo retornaralatierrabajoán-
gulos muy diferentes.
A este ángulo, por debajo del cual no
existe un retorno neto de los frentes de onda
previsto por leyes geométricas lo denominamos
ángulo de distancia de silencio4
.
Si seguimos disminuyendo el ángulo de incidencia aún más, nos encontraremos con queelfrente
de ondas incidente no sufrirá una refracción suficiente y después de una ligera desviación escapará al
espacio exterior, denominándose entonces rayos de escape-Fig. 3.2, rayo 2-,loscualeshanincidido
en la ionosfera bajo un ángulo inferior a un ángulo límite denominado ángulo crítico.
4
Denominado habitualmente en la literatura anglosajona como ángulo de skip.
A estas conclusiones hemos llegado considerando una superficie terrestre y una ionosfera
ambas planas, así como una densidad de iones estable en cada punto a lo largo del tiempo. Si conside-
ráramos que la tierra tiene forma esférica y que la densidad de electrones varía en cada punto y a lo
18
largo del tiempo, obtendríamos expresiones realmente complejas para encontrar la frecuencia a utilizar
en función de la frecuencia reflejada bajo incidencia vertical. La práctica demuestra que es suficiente
introducir un coeficiente de corrección k para obtener una aproximación adecuada.
Así la ecuación 3.5 queda de la siguiente forma,
f = k fv sec t0 (3.7)
En esta expresión, en la que lo mas importante es su forma funcional,fveslamáximafrecuencia
reflejada en incidencia vertical, to es el ángulo de entrada del frente de onda en la ionosfera y k una
constante cuyo valor dependerá dela capa en cuestión sobre la que se efectúa la refracción y de las cir-
cunstancias particulares de cada momento, tales como la estación del año, momento del ciclo solar en
el que estemos, etc.
Es en el cálculo del valor de ésta constante, para cada caso en particular, donde se centran
todos los esfuerzos de los diferentes programas para la predicción de la propagación ionosférica.
19
4 LA PROPAGACIÓN REAL.
Cuando una onda de radio se refracta en alguna capa ionosférica y vuelve a la tierra decimos
que ha efectuado un salto, denominándose Distancia de Salto Único-DSU- aladistancia que, sobre
la superficie terrestre, separa el punto de emisión de la señal del punto de llegada de nuevo a la tierra. El
valor máximo que toma esa magnitud para una capa determinada en unas condiciones determinadas
recibe la denominación de Máxima Distancia de Salto Único -MDSU-.
Denominamos Ángulo de Radiación -AR- al ángulo formado por la trayectoria de la onda
radioeléctrica emitida por una antena con el plano de la tierra. Las ondas emitidas bajo un gran ángulo
desviarán poco su trayectoria, no retornando a la tierra. El ángulo a partir del cual se produce el retorno
recibe el nombre de Ángulo de Radiación Crítico -ARC-. El valor de este ángulo dependerá
fundamentalmente de la frecuencia utilizada, de la capa donde se efectúe la reflexión y de la distancia
entre emisor y receptor.
Definimoszona de silencio5
a la distancia comprendida entre el punto donde ya no se recibe la
señal transmitida, debido a la atenuación de la onda de tierra, y el punto donde de nuevo volvemos a
recibirla, debido a la onda reflejada. Más adelante veremos como éste no es un concepto absoluto, ya
5
Denominada habitualmente en la literatura anglosajona como distancia de Skip.
20
que la señal puede ser recibida en esta zona a causa del fenómeno de dispersión unas veces, y por
efecto de la capa Esporádica E en otras ocasiones.
Frecuentemente es más práctico considerar el trayecto de una onda radioeléctrica como el
resultado de una reflexión en lugar de una refracción. Para una determinada DSU hablamos de una
Altura Virtual -AV-, que es la altura donde estaría situada una hipotética capa que reflejaría nuestras
ondas, de manera que obtuviéramos la misma DSU.
Asimismo,definiremoselAncho de Banda de Propagacióncomo el conjunto defrecuencias
utilizable para establecer un enlace radioeléctrico entre dos puntos geográficos determinados. Al límite
superior de dicho intervalo lo denominamos frecuencia máxima utilizable o MUF6
yallímiteinferior
frecuencia mínima utilizable o LUF7
. Entre ambos límites situamos la Frecuencia Óptima de
Trabajo -FOT- como frecuencia mas adecuada al uso concreto que se pretende. Podemos considerar
como válida la mayoría de las veces la aproximación que utiliza el valor de la FOT como 0.85 veces el
valor de la MUF [CCIR 90b].
Todos estos valores se definen para unas condiciones de trabajo determinadas tales como
potencia utilizada, modo de transmisión, la hora solar en los puntos de emisión y recepción de la señal,
época del año, actividad solar, etc.
6
De la expresión inglesa Maximum Usable Frecuency.
7
De la expresión inglesa Lowest Usable Frecuency.
21
Naturalmente, una onda radioeléctrica puede refractarse en la ionosfera, retornar a la tierra y
reflejarse sobre ella para, de nuevo, volver a refractarse y así realizar un número variable desucesivos
saltos, número que depende tanto del estado de la ionosfera como de las capas envueltas en la re-
fracción, así como de la naturaleza de la superficie terrestre donde se efectúen las reflexiones.
Esto provoca el que, en determinadas condiciones, el receptor pueda captar ondas que han
realizado un diferente númerode saltos, bien por haber sido emitidas bajo diferentes ángulosdeemisión
y haberse refractado en distintos puntos de la misma capa ionosférica, bien debido a que el trayecto de
llegada se ha realizado por circunvalación de la superficie terrestre en distintos sentidos. Losdistintos
recorridos provocan la llegada de diferentes frentes de ondas con el mismo contenido pero con diferen-
cias de tiempo, lo cual causará en definitiva fenómenos de desfase e interferencia con la consecuente
alteración de la información transmitida.
La repercusión final de esos procesos dependerá de las exigencias de fiabilidad del enlace, del
modo de codificación de la información y de la forma de transmisión. Así pues, todas estas alteraciones
en la onda radioeléctrica transmitida apenas producirán trastornos a una emisión en código Morse
transmitidoyrecibido manualmente por operadores expertos, causarán dificultadesdecomprensiónen
determinadas circunstancias en la emisiones vocales de amplitud modulada -AM- o en banda lateral
única-BLU-, y crearán severas alteraciones en los diferentes modos de transmisióndigitalcomoRTTY
-radioteletipo-, ASCII, etc.
22
Esto ha determinado la creación de nuevos modalidades de transmisión digital con sistemas de
corrección de errores comoPACKET RADIO8
, AMTOR -comercialmente denominadoTOR9
- en
sus distintas modalidades FEC10
, ARQ11
, etc., siendo necesario destacar la última aportación
efectuada, denominada PACTOR que, como su nombre indica, es una asociación de las mejores
características de los modos digitales PACKET y TOR.
8
Versión para Radioaficionados del protocolo X25.
9
Del inglés, Transmiting Over Radio.
10
Del inglés, Forward Error Correction.
11
De la expresión inglesa Automatic Repeat reQuest.
La propagación de una onda electromagnética entre dos puntos situados en la superficie
terrestre se efectúa habitualmente por el camino mas corto, recorrido sobre un círculo máximo, que es
la línea imaginaria producida por el corte de la superficie terrestre con un plano que pasa por los puntos
de emisión y recepción de la onda, así como por el centro de la tierra. Sin embargo a veces no es éste
23
el camino seguido, pues la trayectoria realizada sigue un círculo máximo pero por el camino mas largo.
Esto puede ser debido, entre otros factores, a que este camino largo se recorra por un área donde al
ser de noche, la capa D, principal responsable de la atenuación de las ondas refractadasenlaionosfera,
ha desaparecido, pudiendo suceder además que, las reflexiones producidas sobre la tierra amortigüen
más la onda que va por el camino corto que la del camino largo. Esto último puede suceder si las
últimasreflexiones se producen sobre zonas altamente conductoras, y por tanto muy reflectantes,como
la superficie del mar.
Denominamos línea o franja gris a la línea que separa el día de la noche. En una cara de la
tierra avanza hacia el día con el amanecer y en la cara opuestaavanza hacia la noche con el atardecer.
La propagación a lo largo de la línea gris es muy eficiente, debido fundamentalmente a que la capa D,
que absorbe fuertemente la radiación electromagnética, desaparece rápidamente con el anochecer y no
le ha dado tiempo a formarse en el lado del amanecer, eliminándose de esta manera y en ese recorrido
el principal obstáculo para la CLD.
Consideraremos en último lugar el fenómeno denominado dispersión12
, por el cual una onda
altera la trayectoria esperada según las leyes puras de la refracción y reflexión. La dispersión o scatter
puede ser en sentido directo o de avance, produciéndose en la troposfera y para frecuencias superiores
a los 20 MHz. Esto tiene como consecuencia la recepción de la señal radiada en la zona de silencio,
siendo un fenómeno esporádico y poco utilizable para enlaces fijos. A veces observamos que después
del primer salto las ondas se reflejan sobre la tierra hacia el transmisor, ya que la superficie terrestre no
24
es, en general, un medio liso y homogéneo, hablándose entonces dedispersión inversa. Este fenóme-
no, cuando se produce, es más estable, ayudando a disminuir la zona de silencio.
Veremos a continuación el comportamiento genérico respecto a la CLD de las distintas bandas
de radioaficionado, ya que será en ellas donde se realizarán todos los desarrollos experimentales, al
estar uniformemente distribuidas por todo el espectro de frecuencias de la HF y ser accesibles con los
menores trámites administrativos y legales[ARR92].
Hacemos la salvedad de que la banda de 1.8 MHz, correspondiente a 160 metros de longitud
de onda, no pertenece en realidad a la HF sino a las frecuencias medias o MF, pero la incluimos aquí
porque su uso puede ser, en algunas situaciones, determinante para conseguir el enlace deseado.
12
Denominado Scatter en inglés.
Banda de 1.8 MHz (160 metros de longitud de onda).
Sufre extrema absorción en la capa D durante el día, aunque las señales emitidas bajo
ángulos muy altos pueden retornar a la tierra, proporcionando durante lashora diurnas
un alcance de hasta 125 Km, aproximadamente.
25
Durante la noche, al disiparse la capa D, las señales emitidas con ángulos de radiación
bajos proporcionan alcance de varios miles de Km.
Los ruidos estáticos y los procedentes de las tormentas sonmuyabundantesduranteel
verano, llegando a veces a hacer imposible su uso. Es por tanto una banda nocturna y
de utilización preferente durante el invierno.
Banda de 3.5 MHz (80 metros de longitud de onda).
Comportamiento muy parecido a la banda de 1.8 MHz pero sin tanta absorción diurna,
por lo que su alcance puede llegar durante el día hasta los 400 Km.
Durante la noche sus señales pueden llegar a los antípodas, manteniéndose la
sensibilidad a los estáticos y a las ruidos producidos por las tormentas estivales. Es
pues una banda nocturna e invernal como la anterior.
Banda de 7 MHz (40 metros de longitud de onda).
26
Es la banda de frecuencia más baja en la que apreciamos la existencia de una zona de
silencio o de skip.
Podemosutilizarla durante el día para comunicaciones hasta una distancia de unos 800
Km, distancia que variará en función de la hora solar en el punto donde se realiza la
primera, y en general única refracción diurna, lugar que está situado normalmente en la
mitad del trayecto entre el punto de emisión y el de recepción.
Durante la noche posibilita comunicaciones alrededor del mundo entero, aunque de
nuevo una cierta sensibilidad a los ruidos estáticos y a los producidos por tormentas
provoca cierta incomodidad durante los meses veraniegos, sin llegar al extremo de las
dos bandas anteriores, por lo que podremos usarla durantelashorasnocturnastantoen
invierno como en verano.
Es la banda de radioaficionados de frecuencia más baja utilizable para realizar
comunicaciones alrededor del mundo entero.
Banda de 10 MHz. (30 metros de longitud de onda).
27
Posee características comunes a las bandas diurnas y nocturnas, pudiéndose utilizar
hasta los 1600 Km durante el día y proporcionando un alcance mundial durante la
noche.
Si bien, en general, puede ser considerada una banda de uso durante las 24 horas,
durante las épocas de mínimo solar la MUF puede caer por debajo de los 10 MHz,
pasando entonces a poseer el perfil de las bandas diurnas de frecuencias más altas. Es
la banda de frecuencia más baja en la que se hace notar el efecto de las variaciones
debidas al ciclo solar.
Banda de 14 MHz. (20 metros de longitud de onda).
Es la banda más usada para la CLD, pues está siempre disponible durante las horas
diurnas con independencia de la influencia del ciclo solar, aunque en los momentos de
máxima actividad de este queda abierta para las comunicaciones también durante toda
la noche, pues es una frecuencia lo suficientemente elevada como para no sufrir una
gran absorción en la capa D y al mismo tiempo lo suficientemente baja como para
refractarse de una forma adecuada en las capas F1 y F2.
Presenta una zona de silencio apreciable, no siendo de gran perturbación los ruidos
estáticos sobre las comunicaciones.
28
Todas estas características positivas generan un importante problema que es la gran
congestión existente en esta banda, lo cual produce frecuentes interferencias entre las
distintas transmisiones.
Banda de 18 MHz. (17 metros de longitud de onda).
Similar en muchos aspectos a la banda de 21 MHz que describiremos a continuación,
pero sin un influjo tan marcado de la actividad solar.
Durante los años de elevada actividad solar es utilizable durante el día y las primeras
horas de la noche para comunicaciones con todo el mundo, mientras que los períodos
en los que esta actividad es moderada se cierra para todas las comunicaciones
inmediatamente al anochecer.
En los períodos de baja actividad solar es utilizable únicamente en las horas de
mediodía en trayectos norte-sur y sólo en latitudes medias o en el ecuador.
Banda de 21 MHz. (15 metros de longitud de onda).
29
Comportamiento muy similar a la banda de 14 MHZ pero con una gran dependencia
de la actividad solar.
En los años en los que esta es máxima se mantiene abierta durante todo el día y hasta
muy avanzada la noche a las comunicaciones con todo el mundo, pasando a ser una
banda diurna en los años de actividad solar media y cerrándose completamente los
años de baja actividad solar.
Banda de 24 MHz. (12 metros de longitud de onda).
Banda fundamentalmente diurna durante los períodos de moderada y baja actividad
solar, siendo utilizable hasta bien avanzada la noche en los máximos de la misma.
Nunca queda sin actividad salvo en los añosdemínimo solar en latitudes altas. Incluso
entonces se activa por esporádica E desde el final de la primavera hasta el otoño,
aunque a veces es utilizable en ciertos períodos del invierno.
Banda de 28 MHz. (10 metros de longitud de onda).
30
Es la banda con variaciones más extremas respecto al ciclo solar, durante cuyos
máximos es posible establecer comunicaciones a grandes distancias utilizando muy
poca potenciaeneltransmisor durante el día y hasta horas muy avanzadas de la noche.
Alir decayendo la actividad solar va recortándose el número de horas que es utilizable,
llegando a quedar totalmente sin propagación durante los años de mínimo solar.
También se activa por esporádica E desde finales de Abril hasta mediados de Agosto,
con total independencia del ciclo solar.
Si pretendemos establecer una comunicación entre dos puntos de la superficie terrestre
separados por una determinada distancia necesitaremos conocer el intervalo de frecuencias que
podemos utilizar, ya que si utilizamos frecuencias muy altas pueden no reflejarse en la ionosfera y
escapar al espacio exterior y si utilizamos frecuencias muy bajas obtendremos una comunicación con
ruidos excesivos y utilizando potencias mayores de las estrictamente necesarias[MAS87].
El intervalo de frecuencias utilizables está limitado para cada lugar y momento por la frecuencia
máxima utilizable y la frecuencia mínima utilizable, es decir la MUF y la LUF.
La MUF la obtendremos multiplicando la frecuencia crítica por un factor que manifieste la
relación existente entre la distancia de transmisión, el ángulo de elevación de la onda transmitida y la
capa ionosférica donde se efectúe la refracción, pero la dificultad principal para la obtención de este
31
factor va a ser la variación de la ionización en las distintas capas ionosféricas, las cuales se
corresponden con la distinta radiación solar durante el día y la noche, durante las distintasestacionesdel
año y a lo largo del ciclo solar de los once años.
La LUF nos va a venir determinada por la absorción ejercida por la capa D, que va a ser
inversamenteproporcionalalaraízcuadradadelafrecuenciautilizada.Dadoquelautilidadonodeuna
señal determinada para la realización de una comunicación va a venir determinada por el hecho de que
la relación señal/ruido de la onda recibida sea mayor que la permitida por el receptor utilizado, la LUF
va a estar influida por todos aquellos factores que modifiquen la cantidad de energía que finalmente
llegue al lugar de recepción, siendo mayor cuanto más lo sean las pérdidas sufridas por la onda en su
camino desde el emisor hasta el receptor cualquiera que sea el origen de las mismas. Cuando se incre-
menta la potencia de transmisión, disminuyen las pérdidas de propagación ionosférica o se mejora el
rendimiento de las antenas se obtiene un descenso, a veces muy importante, de la mínima frecuencia
utilizable.
Entre ambos límites se sitúa la frecuencia óptima de trabajo o FOT, que como ya hemos
mencionado, se obtiene de una manera empíricamultiplicandoporelfactor0.85elvalormediomensual
de la MUF para el circuito en cuestión.
Una vez tenidos en cuenta todos los efectos anteriormente mencionados, vemos como nuestro
principal objetivo va a ser la determinación de la frecuencia críticaparaundeterminadocircuito,locual,
32
como vamos a ver a continuación, no resultará fácil dada su dependencia de múltiples factores, algunos
de los cuales van a resultar a efectos prácticos casi aleatorios.
Denominaremos f0X a la frecuencia crítica de la capa X, siendo la máxima frecuencia
reflejada desde esa capa. Así f0Eyf0F2 son las frecuencias críticas de las capas E y F2 respectivamente
en una situación determinada, que estará relacionada con las densidades electrónicas máximas en la
mismas.
La densidad electrónica crece con la altura, siendo mínima en la capa D y máxima en la capa F2
por lo que f0F2 será siempre mayor que f0E y tomándose como válida, en general y para incidencia
vertical, la igualdad,
MUF = f0F2
Como ya hemos visto en la expresión (3.1), a la frecuencia de plasma fN la podemos expresar
con bastante aproximación como
fN = 9 N1/2
(4.1)
siendo N la densidad electrónica en una capa determinada y fN la frecuencia en Hz.
33
Si tomamos Nm como el valor máximo de la densidad electrónica en una capa, todas las ondas
con incidencia vertical y con una frecuencia menor a su frecuencia de plasma serán capaces de volver a
la tierra, estando la frecuencia crítica expresada por lo tanto como
f0 = 9 Nm
1/2
(4.2)
Podemos ver algunos valores habituales en la tabla de la siguiente página, aunque
desgraciadamente estos valores sólo nos sirven como referencia, ya que para un mismo recorrido
podemos observar grandes variaciones en la frecuencia crítica con el transcurrir del día, con los
cambios de estación a lo largo del año y con los años dentro del ciclo de los once años, sin contar con
la posible ocurrencia de variaciones en la propagaciónprevista,debidasairregularidadesenlaradiación
solar y a otros fenómenos como las esporádicas E, auroras boreales, etc.
Podemostenerunaapreciacióndeestavariabilidaddelascondicionesconsiderandoquesehan
determinadovalores de la f0F2 que no alcanzaban los 2 MHZ durante los años mas bajos del ciclo solar
y tan altos como 15 MHz en presencia de esporádicas E, pudiéndose considerar como normal un valor
de 10 MHz.
34
CAPA IONOSFÉR. PERÍODO CONC. ELECTR. F. CRÍT. (MHz)
D Mediodía 108
- 109
0.09 - 0.28
E Mediodía 1011
2.8
F1 Día 2 1011
4.0
F2 Día 1012
9.0
F2 Noche 5 1010
2.0
Tabla 4.1
35
5 LA CALIDAD DE LA SEÑAL.
Otro factor a tener en cuenta y tan importante como la MUF para un determinado recorrido es
la calidad de la señal obtenida, pues de nada nos serviría recibir una señal con una aceptable relación
señal/ruido si la distorsión sufrida durante el trayecto es de tal magnitud que nos imposibilite la
decodificación de la misma.
Una onda electromagnética sufre durante su recorrido desde el punto de emisión al de
recepción diferentes alteraciones, siendo las mas importantes para el caso de una onda reflejada en la
ionosfera las debidas a atenuación, retardo, fading o desvanecimiento, desplazamiento en frecuencia
(Doppler), dispersión en frecuencia y en tiempo y distorsión de retardo.
Tomemos una señal compleja y por tanto con distintas frecuencias dentro de un ancho de
banda, la denominamos E(t) y la transmitimos de un punto a otro de la superficie terrestre, realizando
este paso mediante una única reflexión ionosférica. Como toda onda que cruza un medio físico sufrirá
retardo. Al ser la ionosfera un medio dispersivo, las distintas frecuencias que componen nuestra onda
recorreráncaminosligeramentedistintos,locualconduciráaretardostambiéndistintosparalasmismas.
A esta nueva onda compleja, distorsionada por el retardo temporal, la denominaremos E´(t).
36
Sabemos también que nuestra onda va a sufrir atenuación y desvanecimiento13
aleatorio, el
primero de estos procesos debido a que el proceso de refracción ionosférica no tiene un rendimiento
total del 100 % y el segundo producido por súbitas variaciones de los valores de ionización debidas a
su vez a alteraciones de la radiación solar en el punto de la ionosfera donde se produce la refracción.
Estamultiplicidad de procesos podemosincorporarla a nuestra onda E´(t) multiplicándola por
una ganancia aleatoria expresada por G(A,v,s,t), dondeA representa la atenuación con un valor entre
0 y 1, v y s representan al fading en términos de desplazamiento y dispersión de frecuencia respectiva-
mente.
Ahora la onda que recibimos ER(t) tendrá la siguiente expresión,
ER(t) = G(A.v,s ,t).E´(t-t) (5.1)
13
Fading en lengua inglesa.
37
Debemos ahora tener en cuenta el hecho de que nuestra onda puede haber sido reflejada por
las capas E o F1, que puede además haberse dividido en dos haces, uno ordinarioyotroextraordinario,
debido al efecto del campo magnético terrestre14
y que finalmente puede haber llegado mediante un
único salto o mediante varios. Todas estas posibles variaciones configuran los distintos modos de
transmisión de una onda.
Para el modo j-ésimo tendremos la expresión siguiente,
ERj(t) = Gj(Aj,vj,s j,t).E´(t-tj) (5.2)
y la señal recibida, expresada como resultado de la suma de los diferentes modos, tendrá finalmente la
siguiente expresión,
ER(t) = j=1? n
Gj(Aj,vj,s j,t).E´(t-tj) (5.3)
Si además deseamos considerar la señal que nos pueda llegar a través de la onda de superficie
(onda de tierra), esta sufrirá un retraso tg diferente pero no tendrá variaciones aleatorias y la nueva
expresión de nuestra onda será,
Eg(t) = Ag(t-tg) + j=1? n
Gj(Aj,vj,s j,t).E´(t-tj) (5.4)
14
Denominado habitualmente en lengua inglesa como splitting.
38
La aparente complicación de esta expresión se ve disminuida por el hecho de que la mayor
parte de los distintos modos posibles sufre una fuerte atenuación, siendo útiles tan sólo unos pocos de
ellos y siendo también frecuente el que no tengamos influencia alguna de la onda de superficie debido al
relativo corto alcance de la misma.
Veamos ahora con detalle cada uno de los fenómenos anteriormente expuestos, su causa,
magnitud, variabilidad y efecto sobre la onda transmitida [MAS90].
Dispersión temporal (tj):
La señal que obtenemos en el punto de recepción es en realidad una suma de señales que han
realizado recorridos muy distintos y que por tanto han sufrido distintos retrasos, dando lugar a
una dispersión en el tiempo de la onda final. Esto es lógico si tenemos en cuenta que podemos
estar recibiendo simultáneamente la señal propagada a través de la denominada onda de tierra
junto a la refractada en la ionosfera, refracción que se ha podido realizar en varias capas de la
misma simultáneamente y que por tanto ha podido dar lugar a distinto número de saltos durante
su trayecto.
Debemos de tener en cuenta también la posibilidad de estar recibiendo además señales que
hanrealizadodistintos trayectos ionosféricos debido a la posible incidencia en la ionosfera bajo
39
las denominadas trayectorias de ángulos alto y bajo, junto a la posibilidad siempreexistentede
que el efecto magnetoiónico en la ionosfera haya desdoblado nuestra onda en dos haces ,
ordinario y extraordinario, bajo la influencia del campo magnético terrestre.
Todos estos procesos pueden interferir gravemente en la transmisión de datos cuanto estos
retrasos son de magnitud comparable al período de la información digital transmitida, es decira
la duración de la información que separa un estado digital del siguiente transmitido, que
denominaremos duración de estado, denominando al fenómeno descrito comointerferencia
interestados.
Estudios recientes al respecto demuestran que existe una frecuencia por debajo de la MUF en
la que la dispersión en el tiempo toma valores máximos. Valores que pueden servirnos como
referencia son los siguientes [DAV66]: para un recorrido de 2.500 Km podemos llegar a tener
una dispersióntemporalmáxima de 3 ms, para 1.000 Km de 5 ms y para 200 Km puede llegar
a los 8 ms.
Vemos por tanto como una elección adecuada de la frecuencia a utilizar es algo básico para
obtener elevadas frecuencias de transmisión de datos, estando limitada la elección a un estrecho
intervalo de frecuencias por debajo de la MUF ya que si descendemos mucho por debajo de la
mismaincrementamosnotablemente la posibilidad de encontrar grandes retrasos por trayectos
múltiples y de que por tanto tengamos que recurrir a la disminución del ritmo de transmisión de
datos para poder evitar la interferencia interestados.
40
Desvanecimiento (Gj):
Es frecuente que al analizar las señales recibidas en un receptor veamos que fluctúan en
amplitud y fase, fenómeno al que hemos denominado desvanecimiento, que se aprecia como
disminuciones de la intensidad de la señal recibida, con un carácter periódico y de frecuencia
variable, del que son responsables los cambios que sufre la ionosfera.
Estos son básicamente cambios en la curvatura del reflector ionosférico, rotaciones en los ejes
de la elipse de polarización, variaciones temporales de la absorción y cambios en la densidad
electrónica de la ionosfera, todo esto en lo que se refiere a un único modo de propagación, ya
que a todo lo anterior debemos añadir los fenómenos de interferencia entre dos o más modos
que tengan amplitudes equivalentes.
En trayectorias de 2.000 Km el desvanecimiento más común es el producido al amanecer y al
anochecer, con un ritmo típico de 10 a 40 desvanecimientos por minuto
Dispersión en frecuencia (vj):
El desplazamiento en frecuencia que se produce para una trayectoria simple (de modo único)
está causado por las variaciones producidas en el tiempo de la altura de la capa reflectora y de
la densidad electrónica.
41
En el caso de que el transmisor y el receptor estén fijos y si ? es el ángulo de fase para un
determinado haz en un tiempo t, resulta,
Los mayores desplazamientos en frecuencia-debidos al efecto Doppler- ocurrenduranteeldía,
con valores positivosrelativamente elevados durante el amanecer y valoresnegativosduranteel
atardecer. En días en los que no hay grandes alteracionesionosféricaspodemosobtenervalores
que oscilan entre 0.01 y 1 Hz para trayectos de salto único, siendo en general mayores para las
trayectorias con reflexión en la capa F que para las que lo hacen en la capa D, incrementándose
en mayor medida en las incidencias verticales que en las oblicuas.
No obstante, es frecuente encontrarse con desplazamientos entre 5 y 10 Hzdurantelaocurren-
cia de grandes alteraciones ionosféricas , aunque sólo durante unos pocos minutos. Nos puede
servir como referencia el hecho de que durante las llamaradas solares encontramos
desplazamientos de 1 - 2 Hz.
Dispersión en el tiempo (s j):
Dado que cada modo de propagación está compuesto por un número determinado de rayos o
haces con trayectorias ligeramente diferentes, cada uno de ellos sufrirá desplazamientos en
frecuencia ligeramente diferentes, resultando una dispersión de las frecuencias recibidas.
cdt
fd
=vj
?
42
Valores aproximados en condiciones ionosféricas de tranquilidadpodríaser[MAS87]de0.02
Hz para las reflexiones en la capa E y de 0.15 Hz para las efectuadas en la capa F.
Esta dispersión en frecuencia modula cada pulso transmitido y contribuye al desvanecimiento
periódico de los pulsos recibidos, aunque con un período mayor que la duración típica de los
mismos.
Distorsión por retardo (tj):
La distorsión por retardo tiene su origen en el hecho de que el retardo sufrido por una onda
depende de su frecuencia y por tanto no es constante para las distintas frecuencias contenidas
en un ancho de banda determinado y en que la dispersión causada por la reflexión en la capa E
es muy pequeña mientras que es de mayor magnitud si la capa reflectora es la F.
En lo que se refiere a la transmisión de datos la importancia de la distorsión por retardo está
relacionada con la tasa de cambio del retardo con la frecuencia y el tiempo, dado que un canal
depropagaciónionosféricanoesestacionarionienfrecuencianientiempo,aunquesilimitamos
el ancho de banda a unos 10 KHz y consideramos un tiempo lo suficientemente corto,
alrededor de 10 minutos, podremos utilizar frecuentemente el modelo estacionario. De esta
forma y considerando un número discreto de modos de propagación, podemos modelar
43
nuestro canal ionosférico mediante una línea de retardo con un numero también discreto de
tomas, cada una de las cuales estará modulada en fase y amplitud por un coeficiente que varía
en el tiempo.
44
6 LA ELECCIÓN DE LA FRECUENCIA.
La posibilidad de comunicación en HF a través de la ionosfera entre dos puntos geográficos
determinados va indisolublemente ligada a la capacidad de determinar en cada momento cuál es la
frecuenciaadecuadaparallevarlaacabodesdeelprimermomentoenelqueseinicialacomunicacióny
a todo lo largo del tiempo que dure la misma. A esta capacidad de elección de las frecuencias
adecuadas en función de las condiciones existentes en cada momento se le acostumbra a denominar
gestión de frecuencias.
Esta gestión de frecuencias se lleva a cabo mediante diferentes técnicas, que podemos clasificar
en tres grandes grupos:
1. Predicciones ionosféricas a largo y a corto plazo.
2. Sondeos por pulsos ionosféricos y sondeos con desplazamiento de la frecuencia.
3. Evaluación en tiempo real de las condiciones de los canales de transmisión existentes.
1. Predicciones ionosféricas.
45
Ya hemos visto como las grandes variaciones en las concentraciones de las distintas capas
electrónicas tienen un fiel reflejo en la MUF de cada momento -tabla 4.1-. Para establecer una
comunicación de la calidad adecuada es necesario mantener la frecuencia utilizada por debajo de la
MUF de cada período pero sin bajarla demasiado para no sufrir una absorción ionosférica excesiva,
siendo la mejor elección en general, la FOT de cada recorrido.
Es posible en la actualidad cumplir estas condiciones con una exactitud muy adecuada a los
fines para los que se pretende, gracias a diferentes programas para ordenador, que realizan el cálculo
de la media mensual de la FOT para cualquier lugar del planeta, evalúan la adecuación de las posibles
frecuencias utilizables en términos de relación señal-ruido probable y otorgan un factor de calidad o
coeficiente de confiabilidad para un rango de las mismas y para cada recorrido estudiado, definiendoasí
una ventana de frecuencias utilizables.
El punto de partida de toda predicción de la MUF es la determinación de las frecuencias
críticas de las capas E y F, es decir, f0Eyf0F. La determinación en cualquier momento y lugar de la f0E
es fácil, debido a su relación directa con el ángulocenital solar, tiempo local y latitud, no existiendo sin
embargo una relación tan directa como la anterior para la f0F, extremo éste de la máxima importancia,
ya que es mucho mas frecuente el uso de esta última capa que el de ninguna otra, sobre todo en lo que
a la CLD concierne.
Esta dificultad se evita realizando sondeos de incidencia vertical en unas 200 estaciones
distribuidas a lo largo y ancho de todo el mundo, obteniéndose cada hora valores de f0F2 y de factores
46
relacionados con la MUF. Con las medias mensuales suavizadas obtenemos mapas mundiales de
frecuencias críticas y de factores de la MUF.
Los mapas así obtenidos corresponden sólo a un determinado mes y con un determinado nivel
de actividad solar, aunque como ya se han realizado mediciones durante más de un ciclo solar
completo, tenemos disponibles mapas para cualquier mes y con cualquier nivel de actividad solar. A
estos mapas se les denomina mapas numéricos, ya que se utiliza una función del tipof(?,?,t), donde
intervienen las tres variables implicadas en la propagación ionosférica, la latitud ?, la longitud ? y el
tiempo t.
Dicha función se obtiene mediante el ajuste de series polinómicas de estas funciones a los datos
ionosféricos previamente obtenidos, siendo especialmente útiles cuando deseamosefectuarpredicciones
para un gran número de recorridos.
Si comparamos las medianas mensuales de las predicciones obtenidas mediante el método
recomendado actualmente por el CCIR [CCI90c] para las latitudes centrales europeas, con los datos
obtenidosporsondeosdeincidenciaverticalduranteelúltimociclodelos11años,vemosqueexisteun
acuerdo razonable entre ambos, con una variación menor del 10 % para la MUF. Ahora bien, este
margen de error se duplica durante los períodos del amanecer y anochecer, pudiendo llegar hasta quin-
tuplicarse en estas mismas situaciones durante el período estival [CCI90d].
47
La dificultad real de este tipo de predicción es que se basa en la observación estadística de
períodos anteriores, por lo cual no es capaz de tener en cuenta las variaciones diarias originadas por la
irregularidad de la actividad solar. Es por ello que tiene su utilidad en la predicción del
comportamiento de base de la propagación ionosférica para cada período del año y en relación a la
situación del año dentro del ciclo solar, debiendo ser complementada por otras técnicas de predicción
para períodos más cortos junto a la realización de sondeos y utilización de balizas.
A la hora de efectuar predicciones de la LUF las dificultades aumentan, pues a la dependencia
de las condiciones ionosféricas hay que añadir la dependencia de las condiciones con las que estamos
trabajando, potencia de transmisión, equipos receptores, antenas, etc.
El límite inferior de la frecuencia más baja utilizable depende a su vez de la relación señal/ruido
menor que admita el servicio que pretendemos utilizar. Es lógico suponer que no necesitamos la misma
intensidad de señal para retransmitir complejas formas de onda para un enlace de alta velocidad de
transmisión de datos que para una emisión de audio de alta fidelidad, de TV de alta definición o de un
enlace telegráfico con código Morse. A todo lo anterior es necesario añadir la dificultad con la que los
distintos programas de ordenador para la predicción de la fuerza relativa de la señal llevan a cabo el
cálculo de la misma, obteniéndose a veces resultados dispares entre distintos programas.
Podemos decir que, en general, las pérdidas producidas a lo largo de un determinado recorrido
dependen de la dispersión espacial de la energía, de la absorción ionosférica y de la existencia o no de
la posibilidad de enfocar adecuadamente la energía transmitida en la dirección adecuada.
48
El primero de estos factores, las pérdidas por dispersión espacial, es de fácil apreciación
mediante simples cálculos matemáticos. Sin embargo, el cálculo de la energía absorbida por la ionosfera
es un proceso muy complejo que dependerá de la existencia de un buen modelo de lo que podríamos
denominar atmósfera standard, para lo cual debe de tener una buena representación analítica de la
variación de la concentración electrónica con la altura.
Es muy importante tener en cuenta que esta dificultad de modelado es máxima a la hora de
representar el comportamiento ionosférico en situaciones como el amanecer, el anochecer, auroras
boreales, etc.
El último de los factores, la capacidad de dirigir o enfocar la energía radiada en la dirección
deseada, tiene una gran variabilidad, desde situaciones inmejorables entre estaciones fijas con antenas
directivasycapacidadmultibanda,hastalasdificultadesprovenientesdeestacionesmóvilesconantenas
isotrópicas, de pequeño tamaño y sin compensar adecuadamente para su uso en las distintas bandas de
frecuencia.
Podemos por tanto afirmar que, para realizar cualquier prediccióndelaLUF,esbásicoteneren
cuenta tanto la potencia transmitida como el rendimiento y características del sistema de antenas.
Cualquier disminución de la potencia eficaz transmitida en la dirección deseada o una alteración de las
característicasderendimientodelasantenasutilizadas,limitaráengranmaneralaventanadefrecuencias
utilizables en un determinado recorrido.
49
2. Sondeos.
Mediante los sondeos evaluamos propiedades del medio ionosférico tales como respuesta del
canal utilizado a un impulso de corta duración, retrasos en la propagación y amplitud de la señal
recibida.
A través de los sondeos medimos larespuestadecadacanalbajoprueba,transmitiendobienun
pulso electromagnético bien una señal cuya frecuencia se desplaza a lo largo del tiempo y entre unos
límites determinados, estudiando luego las características de la onda reflejada.
Los sondeos mediante pulsos consisten en la emisión de un pulso de gran potencia y corta
duración en frecuencias previamente seleccionadas, analizándose la señal después de su reflexión en la
capa elegida.
Los sondeos mediante desplazamientos lineales de frecuencia15
seefectúanenviandounaseñal
de baja potencia cuya frecuencia se desplaza en el tiempo entre 2 y 30 MHz. Mediante un preciso
sincronismo entre el emisor y el receptor, operando este último en conjunción con un analizador de
espectro, podemos determinar todas las características que nos interesan de la propagación en ese
15
Denominados como chirpsounding en la literatura inglesa.
50
recorrido, tales como retardos, desplazamientos en frecuencia, potencias recibidas en las distintas
frecuencias, etc.
Procesando esos datos podemos obtener estadísticas sobre la ocupación de los distintos
canales, sus niveles de ruido, atenuación, etc, pudiéndose tomar decisiones respecto a cuales son las
mejores frecuencias a utilizar por tener las mejores condiciones de propagación, y dentro del rango de
frecuencias elegido las frecuencias específicas con los menores niveles de ruido.
Ambas técnicas se pueden utilizar con incidencia vertical u oblicua en la capa ionosférica cuyas
propiedades queremos determinar. En este último caso, debemos disponer el emisor y el receptor en
los extremos del trayecto a estudiar, o bien podemos tener ambos en el mismo lugar y aprovechar la
reflexión irregular en el suelo de la onda reflejada en la ionosfera con incidencia oblicua -sondeo por
dispersión inversa-16
.
Otra técnica de sondeo bastante utilizada es la que se concreta en la comprobación sólo de
determinadas frecuencias o sondeo de canales. Para llevarla a cabo es necesario un buen sincronismo
entre receptor y emisor, llevándose éste a efecto mediante relojes controlados por cristal de cuarzo. La
ventaja fundamental de este último sistema consiste en que comprobamos únicamente aquellas
frecuencias que sabemos podemos utilizar, debido a limitaciones administrativas o técnicas. Además
16
Denominado backscatter sounding en la literatura inglesa.
51
esta rapidez en el análisis de las frecuencias disponibles nos permitirá utilizar vías inusuales de
propagación y corta duración, como esporádicas-E, etc.
3. Evaluación en tiempo real de los canales de transmisión existentes.
Las predicciones de propagación nos proporcionan ventanas de frecuenciaspara recorridos y
períodos de tiempo determinados con una aproximación del 10 %, siendo corriente asimismoindicarla
FOT prevista para cada hora. En un circuito real lo más frecuente es elegir de entre las frecuencias
previstas como utilizables un conjunto de las mismas durante el día y otro durante la noche para el
recorrido que nos interesa.
Este proceso puramente teórico tiene como principales dificultades las siguientes:
- No tenemos en cuenta las interferencias producidas por otros usuarios.
- El volumen de datos sobre los que se han realizado los cálculos es frecuentemente muy
limitado.
- Ciertos fenómenos de ocurrencia aleatoria, como las alteraciones ionosféricas repentinas,
tormentas ionosféricas y alteraciones en los casquetespolares,nopuedenserprevistos,dadala
propia naturaleza de esos fenómenos.
52
- Otros fenómenos transitorios, como la ocurrencia de esporádicas-E, no son siempre
previsibles.
Para conseguir salvar la mayor parte de estas dificultades se acostumbra arealizarpredicciones
a corto plazo, que se basan en la información obtenida en tiempo real de la actividad solar, de los
parámetrosionosféricosydelapropiainformaciónsobrelapropagaciónobtenidamediantelascomuni-
caciones que en ese momento se están llevando a cabo.
A pesar de todo, todavía seguimos observando los siguientes inconvenientes:
- Los datos correctores están basados en un muestreo realizado en tiempo real y de una forma
limitada, por lo que no podemos garantizar su adecuación para todos los recorridos.
- La transmisión en tiempo real del flujo de información generado encuentra problemas
logísticos y económicos para su realización.
- Las correcciones así transmitidas no delimitan en general cual es el subconjuntodefrecuencias
más adecuado para un determinado recorrido.
- De nuevo el ruido generado por la actividad humana no es tenido en cuenta, pues es muy
variable en cada recorrido.
53
Vemos por tanto como el análisis y la predicción por ordenador de las frecuencias más
adecuadas para establecer un enlace entre dos puntos determinados de la tierra y a una hora
determinada pueden ser útiles, y de hecho lo son, para su utilización genérica y como punto de partida
para determinaciones más específicas, pero no son suficientes cuando necesitamos disponer de vías de
comunicación con alta disponibilidad y fiabilidad, máxime cuando uno o los dos puntos a enlazar están
situados sobre vehículos en movimiento, aeronaves, automóviles o navíos.
Es por ello por lo que se recurre frecuentemente al análisis en tiempo real de las frecuencias a
utilizar, método que denominaremos por sus iniciales anglosajonas como RTCE, proveniente de Real
Time Channel Evaluation, y que según el CCIR es "el conjunto de los procesos de medida de los
parámetros apropiados de un grupo de canales de comunicación en tiempo real y el empleo de los
datos así obtenidos en la descripción cuantitativa de los estados de esos canales y de sus capacidades
relativas para ser utilizado con unos tipos determinados de tráfico de comunicaciones".
En realidad lo que se pretende es obtener un modelo numérico para cada uno de los canales o
frecuenciasanalizados, de manera que pueda ser utilizado como criterio diferenciadordelaadecuación
del canal al uso que se pretende y con el fin de controlar todo el proceso de transmisión, llegándose
más allá de la mera medición de las condiciones ionosféricasalúltimominuto,yaquepodremosteneren
cuenta las interferencias producidas por los otros usuarios.
54
El término tiempo real implica el medir los parámetros deseados en el canal analizado a
intervalos del mismo orden de magnitud del tiempo de respuesta del sistema a las entradas de control,
pues de nada serviría tomar medidas que el sistema, por su lentitud en reaccionar, nopudierautilizar.
Realmente esperamos algo mas que la frecuencia mas adecuada de trabajo de un sistema
RTCE. Buscamos además los tiempos adecuados para iniciar la transmisión así como la velocidad de
flujo de datos mas idónea.
El esquema de funcionamiento de un sistema de este tipo es básicamente el siguiente:
- Elegimos un número determinado de bloques de frecuencias en HF, los cuales vendrán
determinados por ser aquéllos en los que estemos autorizados a trabajar o bien hallan sido
recomendados por el organismo oficial adecuado por ser los más adecuados al fin que se
pretende.
- El tamaño de estos bloques debe de ser de pocos cientos de KHz de amplitud, pues es el
intervaloenelquerazonablemente se conservarán las condiciones de propagaciónobservadas,
de manera que cualquier apreciación de las condiciones de propagaciónrealizadasobreunade
las frecuencias del bloque será considerada válida para todas las otras frecuencias que forman
parte del mismo.
55
- Efectuaremos las pruebas de manera cíclica sobre una sóla de las frecuencias de cada bloque,
en orden ascendente de frecuencia desde la menor a la más alta.
- La prueba puede consistir únicamente en el envío de una señal por parte del emisor y su
posterior evaluación en el puntode recepción o puede a su vez ser enviada información poste-
riormente en sentido inverso hacia la estación inicialmente emisora.
- Además de recibir y analizar señales en función de sondeo, el sistema debe ser capaz de
medir los niveles de interferencia en todas las frecuencias de cada bloque, determinando la
adecuación o no de las mismas para el uso que se espera de las mismas.
La primera parte del proceso para cada canal a estudiar consiste en la medición del nivel de
ruido de fondo en la estación que inicia la evaluación, siendo emitida esta información a la estación
receptora donde se medirá además la relaciónseñal/ruidodelaemisiónrecibida,todoestonaturalmente
si el estado de la propagación ha permitido la conexión.
Una vez se ha efectuado la evaluación de una de las frecuencias de cada uno de los bloques
disponibles se ha cerrado un ciclo, que puede volver a repetirse de manera inmediata o con intervalos
programados según las necesidades del sistema. La estación receptora tiene entonces una apreciación
general del estado de la propagación en ese momento y puede iniciar el enlace, eligiendo la frecuencia
mas adecuada en función de los parámetros recibidos de la estación transmisoraydeaquellosotrosque
hayan sido medidos "in situ".
56
Todo este proceso exige bien la recepción simultánea en cada una de las frecuencias de
referencia dentro de cada bloque, bien un adecuado sincronismo para los cambios de frecuenciasentre
las estaciones inicialmente emisora y receptora, o la realización de un algoritmo bien estudiado de
manera que facilite el intercambio de datos que permita el sincronismo inicial.
Vemos como esta técnica puede suplir las deficiencias de todos los sistemas de predicción
anteriormente estudiados, desplazando a los grandes sistemas de antenas con transmisores de gran
potencia para realizar los sondeos en favor de sistemas mas pequeños y manejables, donde las
posibilidades de cálculo y operación automáticos que poseemos en la actualidad toman un papel
preponderante
57
7 LA AUTOMATIZACIÓN DEL ENLACE.
Es mucho y a la vez poco lo que podemos expresar sobre enlaces automatizados. Mucho
porque muy elevadas son las exigencias que sobre el papel deben cubrir los equipos de conexión
automatizada, HF ALE Radios -High Frecuency Automatic Link Establishment Radios- según unas
denominaciones, o ALIS -Automatic Link Setup- según otras. Poco porque no es demasiado lo que
en la actualidad tenemos realizado .
Veamos en primer lugar qué es lo que se le pide a un equipo capaz de establecer
comunicaciones fiables y estables por sí mismo, guiándonos para ello de diversos estándares federales
[ADA92,BOD85], unos ya existentes y otros solamente propuestos, en los EE.UU. de Norteamérica.
- Las señales que constituyen la información a transferir deben de pasar a través del ancho de
banda de audio de los equipos actuales de HF en Banda Lateral Única o BLU17
, denominados
en los países anglosajones como Single Side Band Radios -SSB Radios-.
17
Límite inferior de 400 Hz y superior de 2600 Hz. Es decir un ancho de banda de paso de 2200 Hz.
58
-Deben poseer modems digitales robustos y de la mayor velocidad que sea posible para
proveer transmisiones digitales con llamada selectiva.
-Seleccionarán de forma automática el mejor canal, basándose en un proceso de análisis de la
calidad del enlace y cuyos datos deberán poder almacenar en su propia memoria.
-Es necesario que establezcan las conexiones y las confirmen de manera automática.
-Deben de poder transferir datos y órdenes de control, efectuar control de errores, trabajar
como circuitos de comunicaciones18
y, si es posible, tener la capacidad de establecerlos de
manera automática.
-Es conveniente que su diseño sea lo suficientemente abierto como para que sea posible
incorporarles todas aquellas nuevas funciones que el proceso de pruebas y desarrollo por el
que deben pasar haga necesarias.
18
Networks en la literatura anglosajona.
59
Durante el proceso de establecimiento del enlace, un equipo ALE debe mantener las siguientes
condiciones:
-Debe estar siempre a la escucha de señales provenientes de otros equipos ALE barriendo las
frecuencias que tenga predeterminadas, independientemente de otras funcionesqueestéllevan-
do a cabo.
-Responderá, salvo orden expresa en contra, a cualquier requerimiento de conexión.
-Nunca interferirá en aquellos canales donde se esté llevando a efecto una comunicación ALE.
-Intercambiará siempre losanálisis de calidad de los enlaces-LQA19
- cuandosearequerido
para ello y medirá la calidad de señal de los posibles corresponsales aunque en ese momento
no tenga prevista conexión alguna con ellos.
-Responderá con las pautas temporales que se le indique, con el fin de poder atender las
distintas modalidades de comunicaciones, en tiempo real, circuitos de comunicaciones,
llamadas especiales, etc, que se le soliciten.
19
Del inglés, Link Quality Analysis.
60
-Procurará, salvo instrucción en contra, establecer y mantener laconectividad-posibilidadde
establecer un enlace cuando le sea solicitado-, siempre que le sea posible.
-Buscará la utilización de todas las potencialidades con los equipos con los que conecte, es
decir, optimizará la velocidad de transmisión de datos y minimizará tanto el tiempo utilizado
como la potencia radiada durante el intercambio de datos.
El análisis de la calidad del enlace o LQA al que nos hemos referido con anterioridad, consiste
en la medida automática de la calidad de la señal intercambiada entre las estaciones que forman el
enlace, y se basa en la determinación de la relación de errores de bit -BER20
- y el cociente entre los
suma de los niveles de la señal más el ruido más la distorsión y la suma de los niveles de ruido más la
distorsión -SINAD-.
Los datos adquiridos y procesados deben de poderse almacenar en memoria, tomándolos en
cuenta a la hora de elegir el mejor canal disponible para realizar la comunicación que se pretende.
20
Bit Error Ratio en los países de habla inglesa.
Una de las características mas poderosas de un enlace ALE consiste en la posibilidad de
establecer llamadas selectivas. La estación que llama lo hará con su identificación propia y la de la
estación llamada. Cuando esta llamada es oída, la estación receptora la reconoce y responde. Luego la
61
estación que llamó originalmente confirma la recepción del reconocimiento y da por establecido el lazo
de comunicación, transmitiendo en primer lugar los datos LQA que posee respecto a esa estación y a
todas las demás con la que mantiene conectividad.
Esta característica la poseen en la actualidad los equipos que trabajan en modo AX25-radiopacket-,
en AMTOR o en TOR en modo ARQ o con la última novedadPacktor, que reúne las mejores carac-
terísticas de los dos sistemas anteriores.
Los actuales equipos presentan la característica de tener en un mismo conjunto los
microprocesadores que realizan los cálculos y los equipos de transmisión y recepción encargados de la
comunicación. Esto tiene la ventaja de constituir unidades muy compactas, lo cual es en general una
ventaja, pero presentan al mismo tiempo el inconveniente de que, al ser equipostotalmentededicadosa
un sólo y específico uso, resultan caros para una gran cantidad de aplicaciones no intensivas, ya que la
capacidad de cálculo no puede ser dedicada a otras tareas, al tiempo que el número de unidades
fabricada es bastante pequeño, con el consiguiente encarecimiento del precio de las mismas.
Otro de los inconvenientes de las equipos actualmente en funcionamientoeselhechodequeen
realidad todo o casi todo su funcionamiento se reduce a las posibilidades inherentes al RTCE expresa-
das anteriormente, junto a la posibilidad de llamada y conexión automática.
Si analizamos todo lo expresado a lo largo de este trabajo vemos que se perfila la idea de que
la conexión entre una o varias estaciones de HF es una operación que requiere gran pericia, un
conocimiento pleno del manejo de los equipos adecuados y recurrir tanto a la experiencia previa, como
62
a los procedimientos de cálculo y pronóstico de frecuencias actualmente existentes, para poder
determinar las que son más adecuadas a la distancia entre las estaciones entre las que se pretende
comunicar, teniendo en cuenta la hora del día, el día del mes, la época del año, etc, factores
determinantes, como ya sabemos, del éxito de la operación. Si añadimos lo escaso del número de
personas que en la actualidad posee las cualidades necesarias para todo ello, surge una pregunta: ¿No
son éstas las condiciones más idóneas para la utilización de un Sistema Experto?.
Veamos algunas definiciones habituales para un Sistema Experto [NEB88]:
-Bajo el término Sistema Experto -SE- se entiende un nuevo tipo de software que imita el
comportamiento de un experto humano en la solución de un problema. Pueden almacenar
conocimientos para un campo determinado -y muy delimitado- solucionando los problemas
mediante deducción lógica de conclusiones.
-Los SE se utilizan preferentemente en problemas en los que se necesite un procedimiento de
resolución basado en el conocimiento,entendiendocomotalesprocedimientosalosquetengan
las siguientes capacidades:
-Utilización de normas u otras estructuras que contengan conocimientos y experiencia
de expertos especializados.
-Deducción lógica de conclusiones.
63
-Interpretación de datos ambiguos.
-Manipulación de conocimientos vagos, es decir, conocimientos afectados por valores
de probabilidad.
Una de las particularidades que hacen especialmente interesantes a los sistemas expertos es el
que separan los conocimientos-reglas, hechos- del procesamiento de los mismos,porloqueesposible
añadir o eliminar información sin cambiar el programa.
Un sistema experto se compone en esencia de los siguientes elementos:
-La base de conocimientos, que contiene el conocimiento de los hechos y la experiencia de
los expertos en un dominio determinado. Contiene todos los hechos, las reglas y los
procedimientos del dominio de la aplicación que son importantes para la solución del problema.
Podemos pensar en ella [SCH88] como una lista de objetos con sus reglas y atributos listados,
definiéndose un objeto como una conclusión que se define por sus reglas asociadasysiendoun
atributo una cualidad específica que, junto con su regla, ayuda a definir al objeto.
-El motor de inferencia, que puede simular la estrategia de solución de un problema tal y
como lo abordaría un experto humano. Es la unidad lógica con la que se extraen conclusiones
64
de la base de conocimientos , según un método fijo de resolución de problemas que está confi-
gurado para imitar el procedimiento de los expertos para solucionarlos. Se pueden establecer
dos amplias categorías de mecanismos de inferencia donde se podrían encuadrar a la mayor
parte de los SE existentes en la actualidad, los de carácter determinista y los de carácter proba-
bilístico.
-El componente explicativo,cuyautilidadesladeexplicaralusuariolaestrategiadesolución
encontrada y el porqué de las decisiones tomadas. Las soluciones descubiertas por los SE
deben de poder ser repetibles tanto por el ingeniero de conocimiento en la fase de comproba-
ción como por el usuario, siendo deseable que durante el trabajo del sistema se conozca en qué
grado de progreso está el procesamiento del problema. Esto es muy difícil de conseguir, no
habiendo sido posible hasta ahora cumplir todos los requisitos de un buen componente explica-
tivo.
-El interfaz de usuario, que hace que éste pueda realizar su consulta al SE en la forma más
cercana al lenguaje natural posible. Establece la forma en la que se presenta al usuario,
debiendo tener la posibilidad de un aprendizaje rápido de su manejo, evitar dentro de lo posible
la introducción de datos erróneos y poder presentar los resultados de una manera clara e
inteligible para el usuario. Es estrictamente necesario el que las preguntas, explicaciones y
respuestas sean comprensibles.
65
-El componente de adquisición, que ofrece ayuda a la estructuración e incorporación del
conocimiento a la base de conocimientos. Debe de tener las siguientes cualidades:
-El conocimiento, es decir, las reglas, los hechos, las relaciones, etc, deben de poderse
introducir de la forma mas sencilla posible.
-Debe permitir una representación clara de todos las informaciones contenidas en la
base de conocimientos, junto a una comprobación automática de la sintaxis.
-Debe de ofrecer la posibilidad de acceder de manera constante al lenguaje de
programación subordinado.
La posibilidad de cumplimiento de todos estos requisitos dependerá de una manera directa
tanto del lenguaje de programación elegido como del hardware asociado.
Visto todo lo anterior, la cuestión es, ¿porqué no confiar la gestión de frecuencias a un
SE?.
Un SE puede utilizar los datos proporcionados por un programa de predicción de las
condiciones de propagación ionosférica a medio y largo plazo, incluir en su base de conocimientos la
forma de actuar y operar una estación de HF por un experto en comunicaciones en los modos en los
que estemos interesados y puede finalmente controlar de forma directa los parámetros que permitan el
66
funcionamientodeunsistemadeemisión-recepción, para que pueda realizar un análisisentiemporeal-
RTCE- del conjunto de frecuencias previamenteelegidas y establecer la comunicación enel canal más
adecuado.
Este SE se puede realizar mediante un programa escrito en un lenguaje de uso común, tal y
como LISP o PROLOG [BEL87] y utilizarse sobre un ordenador tipo PC, con lo cual el paso de
ordenes al equipo de transmisión se podría realizar a través del dispositivo de salida serie estándar
RS232, siendo recibidas estas órdenes por cualquiera de los equipos transceptores en HF que en la
actualidad están dotados de interfaces adecuadas que le permiten recibir ordenes y dar información por
esta vía.
Las ventajas de una realización de este tipo serían múltiples:
-Tantoelordenadorcomoeltransceptorutilizadossonequiposconvencionalesdeusocomúny
por consiguiente de bajo precio.
-Los lenguajes de programación LISP y PROLOG están ampliamente divulgados y
profusamente documentados lo cual facilita su uso en la programación del SE. El uso de un
SHELL o núcleo de SE comercial acortaría la fase de desarrollo, pero tendría a su vez el
inconveniente de su elevado coste.
67
-El sistema puede ser utilizado como tal en unas determinadas condiciones, y al variar éstas
seguimos teniendo disponibles de forma separada las capacidades tanto de cálculo del ordena-
dor como las de comunicación del transceptor.
-Elpreciofinaldelsistema es necesariamente bajo al utilizarseelementosnoespecíficossinode
uso común, lo cual permitiría su empleo en aplicaciones no intensivas que por tanto no justi-
ficarían el uso de un sistema integrado de alto coste, o donde el presupuesto tenga prioridad
sobre cualquier otro tipo de consideración.
Vemos pues como un sistema como el anteriormente descrito podría aunar los mejores medios
de que disponemos en la actualidad, el análisis de la propagación ionosférica a medio y largo plazo con
la comprobación de la posibilidad de utilización real de las frecuencias predichasjuntoalaautomatiza-
ción real de los enlaces.
68
REFERENCIAS.
[ADA92] Adair, Robert T. & Dennis Bodson, 1992, "A Family of Federal Standards for HF
Radios, QST May 1992, págs. 73-76, American Radio Relay League, Newington,
CT, USA.
[ARR92] The ARRL Handbook. American Radio Relay League. Newington,Conneticut,USA,
1992.
[BEL87] Bell, Doug and Ian Morrey, "Ingeniería del Software aplicada a la Programación". John
Pugh. Anaya Editorial. Madrid, 1987.
[BOD85] Bodson, Dennis, 1985, "The Federal Telecommunication Standards Program",IEEE
Communications Magazine January 1985, págs. 56-62, Piscataway, NJ, USA.
[CCI90a] "CCIR Ionospheric Properties", Report 725-3inRecommendationsandReportsofthe
CCIR, 1990, Vol. VI (PropagationinIonizedMedia),XVIIthPlenaryAssembly,ITU,
Düsseldorf, Alemania.
69
[CCI90b] "CCIR Definitions of Maximum and Minimum Transmission frecuencies",
Recommendation 373-6 in Recommendations and Reports of the CCIR, 1990, Vol.
VI (Propagation in Ionized Media), XVIIth Plenary Assembly, ITU, Düsseldorf,
Alemania.
[CCI90c] CCIR HF Propagation Prediction Method. Report 894-2inReportsoftheCCIR,
1990, Vol. VI (Propagation in Ionized Media), XVIIth Plenary Assembly, ITU, Düs-
seldorf, Alemania.. Düsseldorf, Alemania, 1990.
[CCI90d] CCIR Short-term Forecasting of Critical Frecuencies, OperationalMaximumUsable
Frecuencies and Total Electron Contents. Report 888-2inReportsoftheCCIR,1990,
Vol. VI (Propagation in Ionized Media), XVIIth Plenary Assembly, ITU, Düsseldorf,
Alemania.Düsseldorf, Alemania, 1990.
[CCI90e] CCIR Real-time Evaluation of HF Ionospheric Radio Circuits. Report 889-2 in
Reports of the CCIR, 1990, Vol. VI (Propagation in Ionized Media), XVIIth Plenary
Assembly, ITU, Düsseldorf, Alemania. Düsseldorf, Alemania, 1990.
[CCI90f] CCIR Short-Term Forecasting of Critical Frecuencies, Operational Maximum Usable
Frecuencies andTotal Electron Contents. Report 888-2inReportsoftheCCIR,1990,
Vol. VI (Propagation in Ionized Media), XVIIth Plenary Assembly,ITU,Düsseldorf,
Alemania.
70
[GOO92] Goodman, John M. "HF Communications Science and Technology". Van Nostrand
Reinhold. New York, USA, 1992.
[DAV66] Davies, K. , 1966, "Ionospheric Radio Propagación", Dover Publications, New York,
USA.
[HEL91] Helfert, H.P. & U. Strate. Pactor, Radioteletype with memory ARQ and Data
Compression. QEX, October 1991. Pags. 3-6. American Radio Relay League. Ne-
wington, Conneticut, USA, 1992.
[HEN92] Henry, Bill. Getting Started in Digital Communications. ARRL QST, June 1992.
PAGS. 34- . American Radio Relay League. Newington, Conneticut, USA, 1992.
[MAS87] Maslim, Nicholas, 1987, "HF Communications, A Systems Approach", Pitman,
London, UK.
[NEB88] Nebendahl, Dieter. "Sistemas Expertos. Introducción a la Técnica y Aplicación".
Marcombo S.A. Barcelona, 1988.
71
[SAL92] Salerno, Dennis P. & Thomas F. Washer II, "Desert Storm: Air Assault
Communications", IEEE Communications Magazine January 1992, págs. 36-41,
Piscataway, NJ, USA.
[SCH88] Schildt, Herbert. "Turbo Prolog, Programación Avanzada". Osborne/McGraw-Hill.
Madrid, 1988.
[WAL92] Wallace, Michael A, "HF Radio in Southwest Asia", IEEE Communications Magazine
January 1992, págs. 58-61, Piscataway, NJ, USA.
[WAT70] Watterson, C.C. "Experimental Confirmation of an HF Channel Model".IEEE Trans.
Comm. Tech. COM-18,1970. Piscataway, NJ, USA.
72
NOTAS.
73

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1994 ionosfera

  • 1. LA IONOSFERA, ¿UNA ALTERNATIVA REAL PARA LAS TELECOMUNICACIONES? José Manuel Elena Ortega Joaquín Luque Rodríguez Depto. de Tecnología Electrónica Enero de 1994
  • 2. Cables fulgurantes entre centelleantes rayos y fatales cortocircuitos. Placas madre y circuitos ahijados se preparan a recibir la descarga determinante. Integrados y desintegrados comienzan a ronronear como un elefante sobre la roca de los vientos eléctricos. Y finalmente llegó la hora. Y finalmente llegó el microsegundo. Y finalmente los robots funcionaron entre chirriantes y oxidados gemidos. Tomy
  • 3. 1 SUMARIO 1 INTRODUCCIÓN ......................................... 2 2 LA IONOSFERA ......................................... 6 3 EL FENÓMENO FÍSICO ................................... 12 4 LA PROPAGACIÓN REAL .................................. 19 5 LA CALIDAD DE LA SEÑAL ............................... 35 6 LA ELECCIÓN DE LA FRECUENCIA ......................... 44 7 LA AUTOMATIZACIÓN DEL ENLACE ......................... 57 8 REFERENCIAS .......................................... 68
  • 4. 2 1 INTRODUCCIÓN. Podría parecer que la utilización de la ionosfera con el fin de establecer comunicaciones radioeléctricas es equiparable al uso de la vela para navegar por el mar, algo deportivo,inclusorománti- co, pero no realmenteútil,yaquelaexistencia en la actualidad de múltiples satélites de comunicaciones con cientos de canales permanentemente dispuestos para ser utilizados, hace aparecer a las comunicaciones a larga distancia por vía ionosférica como algo periclitado y sin utilidad prácticaalguna. Estafueunaopinióngeneralizadaduranteladécadadelossetenta,puesmientraslacapacidady fiabilidad de los satélites de comunicaciones crecía, también se creía que eran inmunes a cualquier intervención extraña que pretendiera alterar sus funciones o ponerlos fuera de servicio. Era por tanto lógico que se les considerara como los elementos ideales para una comunicación fiable, a pesar del serio inconveniente que representaba su alto coste, tanto en el orden económico como en la necesaria dependencia tecnológica respecto a unos pocos países, los únicos capaces de construir y poner en órbita tales ingenios. Todo ello condujo a la pérdida sistemática de los conocimientos depositados en operadores expertos, a la drástica disminución de los fondos empleados en la investigación y el desarrollo de sistemas en este campo y a la creencia generalizada enquelascomunicacionesionosféricasenHFeran
  • 5. 3 algo del pasado y utilizables tan solo cuando no había ninguna otra posibilidad real de establecer el enlace deseado, o bien para fines lúdicos -Servicio de Radioaficionados- [GOO92]. Sin embargo, es en la década de los ochenta cuando se inicia un cambio de actitud en todo este proceso. El elevado costo de la sustitución de todas las comunicaciones que con anterioridad se realizaban en HF por los enlaces vía satélite, unido a los avances tecnológicos en los métodos de interferencia y destrucción de los mismos, -misiles antisatélite, pulsos electromagnéticos de alta intensidad producidos por explosiones nucleares en la alta atmósfera, haces de microondas de alta densidad energética, etc-, da lugar a que se comience a pensar que la evolución de los sistemas de comunicaciones no era totalmente satisfactoria y empiece a considerarse como ni económica ni estratégicamente adecuada, por parte de un número cada vez mayor de países, la dependencia total de todas la comunicaciones de un sistema caro y demostradamente vulnerable. Como consecuencia pues de todo lo anteriormente expuesto, vemos cómo en la actualidad existe un renovado interés por el uso de las comunicacionesporvíaionosférica [MAS90], favorecido por los continuados avances en la tecnología electrónica empleada en la fabricación de equipos de comunicaciones en HF -síntesis digital de frecuencia, filtros activos, control de los equipos mediante ordenador, etc-, unido a la posibilidad de grandes potencias de cálculo ligadas a pequeños sistemas - ordenadores de la línea PC-, con elevadas velocidades de reloj y grandes cantidades de memoria,tanto central de funcionamiento como de almacenamiento, todo ello a precios sorprendentemente bajos.
  • 6. 4 Muestra de este interés por las comunicaciones en HF es el intento de crear una nueva genera- ción de equipos de radiocomunicaciones inteligentes, capaces de crear y mantener los enlaces de manera automática, los denominados HF ALE RADIOS -High Fre-cuency Automatic Link Establishment Radios-, para los cuales hay propuestos cinco nuevos estándares federales en los EE.UU. de Norteamérica [ADA92], dentro del FTPS -The Federal Telecommuni-cation Standards Program- para el NCS -National Communications System- [BOD85]. Otro factor favorable a tener en cuenta es el cambio realizado en las condiciones sociopolíticas en el mundo, debidas al cese de la política de confrontación de bloques, que hace que el uso comercial de la radiodifusión en HF predomine sobre el uso político realizado de manera prioritaria hasta enton- ces, con todo lo que ello significa de aportación de fondos económicos a la investigación en este área. Es conveniente hacer notar también el destacado papel que vuelven a tener las comunicaciones a larga distancia vía HF en los sistemas de comunicaciones militares [WAL92,SAL92], en las comunicaciones diplomáticas y en la coordinación de la ayuda nacional e internacional en caso de desastre a través de los servicios de Protección Civil, Radioaficionados, Cruz Roja y Creciente Rojo. Existen, no obstante, algunos factores negativos en este proceso,talescomolafaltadepersonal con experiencia en general y lo escaso del número de grupos de investigación en este área, entre los cuales es necesario mencionar al Grupo VIdel CCIR -ComitéConsultivoInternacionaldeRadio-, perteneciente a laITU -Unión Internacional de Telecomunicaciones-, que ha logradomantenervivo el interés por este campo de la investigación en tiempos muy difíciles.
  • 7. 5 Es en este sentido de evitar las dificultades generadas por la falta de personal suficientemente formado, utilizando las facilidades tecnológicas actuales en lo que a posibilidades de cálculo automatizado y bajo precio de los equipos necesarios se refiere, en el que desean avanzar los trabajos que a continuación se exponen y a los que estas líneas pretenden servir de introducción.
  • 8. 6 2 LA IONOSFERA. La ionosfera es una capa atmosférica alta, dotada de una gran conductividad eléctrica gracias a los electrones liberados en la intensa ionización producida por la radiación solar, básicamente en las porciones ultravioleta y de rayos X de su espectro, y en menor medida por las partículas cargadas generadas por el Sol junto a los rayos cósmicos. Se extiende entre los 50 y 2000 Km de altitud sobre la superficie terrestre, dividiéndose por razones históricas en tres capas o regiones denominadas D, E y F en orden creciente de altura y concentración de electrones, cumpliendo las capas E y F el papel de reflector de las ondas radioeléctricas y siendo la capa D la principal causante de la atenuación sufrida por las mismas entre las frecuencias de 2 y 30 MHz -HF- y la responsable también de la reflexión de las ondas de muy baja frecuencia -VLF- y extra baja frecuencia -ELF-. Alsersuorigenlaradiaciónsolarfundamentalmente,eslógicoesperar,comoasísucede,quela intensidaddelaionización dependa de la intensidad de dicha radiación y de la trayectoriaocaminoque la misma recorra a través de la atmósfera. Esto se traduce en una mayor ionización de las capas
  • 9. 7 atmosféricas más altas y en unarelación inversaentrelaionizaciónmedidayelángulo solar cenital1 , con un valor máximo donde éste ángulo sea cero. Asímismo constatamos una relación directa entre las variaciones en la altura, la concentración de electrones y el comportamientodelasdistintas capas ionosféricas y los cambios reflejadosenlaacti- vidad solar durante el día, a través de las distintas estaciones del año y a lo largo de los sucesivos ciclos solares. La actividad de la ionosfera en lo que a su papel dentro de la comunicación a larga distancia -CLD- le corresponde, depende de la intensidad de ionización de la misma, la cual, como ya hemos comentado, es fiel reflejo de la actividad solar. Esta a su vez mantiene una relación directa con el número de manchas solares existentes en cada momento, cuyo número varía cíclicamente con una periodicidad de 10.7 años, aunque nos referiremos en general al ciclo de los 11 años, siendo éste sólo un valor medio, pues se han registrado ciclos de 7.3 años como el más corto y de 17.1 años como el más largo [ARR92]. 1 Ángulo delimitado entre la recta que une un punto de la superficie terrestre con el sol y la vertical de ese punto. Un número elevado de manchas solares provoca una fuerte radiación solar con gran ionización en las capas altas de la atmósfera que es entonces capaz de devolver a la tierra frecuencias de hasta 40
  • 10. 8 MHz, mientras que por el contrario un bajo número de manchas y la baja actividad solar que le acom- paña hace que descienda fuertementelaionización,convirtiendo en prácticamenteinútilesparalaCLD las frecuencias situadas por encima de los 20 MHz. La indicación de la actividad solar podemos obtenerla para propósitos estadísticos y actividades retrospectivas de investigación a través del International Sunspot Number -ISN- [ARR92], calculado mensualmente mediante la media suavizada del número de manchas solares conta- bilizadas durante los seis meses anteriores y los seis posteriores al mes en cuestión. Si lo que necesitamos es la actividad solar actual la obtendremos a través del flujo de ruido radioeléctrico en la frecuencia de 2.800 MHZ [CCI90], que ha demostrado ser una buena indica- ción del flujo solar. Se le acostumbra a denominar flujo solar en 10.7 centímetros y es transmitido por la estaciones patrón de frecuencia y tiempo WWV-Ft.Collins, Colorado, USA- en el minuto 18 de cada hora y WWVH -Kauai, Hawaii, USA- en el minuto 45 de cada hora, en las frecuencias de 1.5 MHz, 5 MHZ, 10 MHz 15 MHz y 20 MHz. Estas emisiones además de su utilidad como patrón de frecuencias y tiempo pueden servir como balizas para la comprobación de las predicciones de propagación que realicemos [ARR92]. Las capas ionosféricas que han demostrado tener relación con la CLD son las siguientes [CCI90a]:
  • 11. 9 Capa F: Se extiende por encima de los 130 Km y es la más alta de todas las capas que componen la ionosfera, dividiéndose durante el día en dos subcapas, laF1 ode Appleton entre los 130-210 Km y la F2 o de Van Allenentre los 250-400 Km de altura. La subcapa F1 alcanza una densidad electrónica máxima de 2·1011 e/m3 ,existiendo sólo durante el día, y si bien puede cumplir el papel de deflectora de algunas frecuen- cias, es más frecuente que actúe como atenuadora de las frecuenciasquesereflejanen la subcapa F2. La subcapa F2 presenta una densidad típica de electrones de 1012 e/m3 durante eldía y de 5·1010 e/m3 durante la noche, siendo la principal zona deflectora responsable de la comunicación a larga distancia, con una máxima distancia de salto único de 4000 Km. Su comportamiento es difícil de modelar, debido a que está influida por los vientos, por distintos efectos electrodinámicos y por la variacióndelaionizacióndebida a la diferente radiación solar durante el día y la noche, durante el curso de las distintas estaciones del año y a lo largo del ciclo solar de los once años. Capa E: También denominada deHeadviside-Kennelly,estásituadaentrelos90-130 Km de altura sobre la tierra e incluye a la capa E normal y a las denominadas capas esporádicas E -Es-.
  • 12. 10 La capa normal E es homogénea y existe sólo durante la radiación solar directa, alcan- zando por tanto su máximo durante el mediodía local y desapareciendo durante la noche, ya que aquí la atmósfera es todavía lo suficientemente densa para que pueda existir una gran recombinación de los iones generados por la actividad solar. Presenta por tanto una fuerte dependencia del ángulo solar cenital, con máximos en su densidad electrónica durante el verano en lo que a la variación estacional se refiere e in- crementándose asimismo al aumentar el número de manchas solares. Este máximo es del orden de los 1011 e/m3 a la altura de 110 Km. Durante la noche desaparece prácticamente, quedando sólo restos de la ionización existente durante el día. Es la capa ionosférica mas baja y aún capaz de ser útil en la CLD, siendo muy adecuada para la propagación diurna a distancias menores de 2.000 Km. Las capas Esporádicas-E, tienen su origen en la existencia de zonas relativamente densas de ionización situadas a unos 110 Km de altura, produciéndose únicamente en determinadas estaciones del año. No dependen de la actividad cíclica solar y son especialmente útiles en los períodos en los que la baja actividad solar deja cortada la propagación en las bandas por encima de los 21 MHz. Capa D: Situada a 50-90 Km sobre la tierra. Tiene una actividad directamente proporcional a la radiación solar recibida, presentando unos valores máximos de ionización de 108 -109 e/m3 inmediatamente después del mediodía local y
  • 13. 11 bajando a valores muy pequeños durante la noche, manteniendo asimismouna pronunciada variación estacional.Produce un marcado efecto de absorciónde toda señal que pasa a través de ella, siendo esta absorción inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la frecuenciautilizada.Suincrementodiurno ycorrespondientedisminuciónnocturna marcan lamínimafrecuenciautiliza- ble -LUF- para un determinado recorrido entre dos estaciones.
  • 14. 12 3 EL FENÓMENO FÍSICO. Cuando una onda de radio penetra en la ionosfera su campo eléctrico asociado imprime a los electrones liberados en la ionización producida por la radiación solar, un movimiento de oscilación que les hace volver a radiar como nuevos emisores, proceso en el cual podemos observar dos fenómenos distintos, uno de cambio de velocidad del frente de onda que produce la refraccióndelmismoyotrode cambio de la polarización de la onda reemitida, debido este último a la influencia del campo magnético terrestre sobre los orbitales afectados por los procesos de absorción-reemisión de la onda de radio. Veamos a continuación como una onda de radio de una frecuencia determinadaquellegacon un ángulo de incidencia adecuado, al encontrar un medio con una concentración crecientedeelectrones, sufre sucesivas refracciones hasta retornar a la tierra. Si ignoramos la influencia de campo magnético terrestre el índice de refracción de la ionosfera viene dado por la expresión siguiente [MAS90], n2 = 1 - (fN / f)2 (3.1)
  • 15. 13 donde f es la frecuencia de la onda incidente y fN es la denominada frecuencia de resonancia2 , proporcional a la raíz cuadrada de la concentración de electronesycuyovalorvienedeterminadoporla expresión, fN = 9 N 1/2 (3.2) Al ascender en la atmósfera vamos desde una concentración de electrones nula, con un índice de refracción igual a uno3 , hacia una concentración creciente de electrones, con su correspondiente disminución en el índice de refracción. Esto quiere decir que si la anchura de la capa ionizada es sufi- ciente, la refracción de una onda radioeléctrica incidente continuará hasta que alcance los noventa grados. A partir de aquí el proceso continuará y la onda retornará de nuevo a la tierra por simetría, ya que ahora tendremos una onda de regreso que penetrará en una ionosfera de densidad electrónica decreciente e índice de refracción creciente, con un ángulo inicial de incidencia de noventa grados. 2 También denominada frecuencia de plasma. 3 Como obtenemos de la expresión 3.1, ya que si N = 0 entonces de 3.2 se deduce que fN = 0, con lo que n = 1.
  • 16. 14 Si bien la variación de la concentración de electrones es continua y la trayectoria de la onda es una curva también continua, modelaremos este proceso como si existiera un número casi infinito de capas de un ancho casi nulo. Aplicando la ley de Snell en el límite de cada capa obtendremos, n0 sen t0 = n1 sen t1 = n2 sen t2 = ....= nn sen tn (3.3) Para un rayo que entre en la ionosfera bajo un ángulo de incidencia t0 desde la atmósfera no ionizada, donde n0 = 1, la reflexión tendrá lugar cuando tn valganoventa grados, o lo que es lo mismo, sen tn = 1 Llevando estas consideraciones a la expresión (3.3) llegamos a la conclusión de que la reflexión tendrá lugar a una altura donde la ionización tenga un valor que haga que el coeficiente de refracción sea, n = sen t0 (3.4)
  • 17. 15 Para un incidencia vertical, donde sen t0 = 0, la reflexión ocurre a la altura donde n = 0. De la ecuación (3.1) deducimos que esto ocurre cuando, f = fN . SifV es la frecuencia reflejada en incidencia vertical a la altura donde la frecuencia de plasma es fN, obtenemos para la onda que incide oblicuamente la siguiente expresión, n2 = sen2 t0 = 1 - (fN /f)2 = 1 - (fV / f)2 (3.5) y por tanto, (fV/f)2 = 1 - sen2 t0 luego, (fV/f)2 = cos2 t0 y fV/f = cos t0
  • 18. 16 o, lo que es lo mismo, f = fV sec t0 (3.6) Esto nos lleva a la conclusión de que una onda de frecuenciafqueincideenlaionosferabajoun ángulo t0 será reflejada a la misma altura donde la intensidad de ionización electrónica sea suficiente para producir la reflexión de una onda de incidencia vertical y frecuencia, fv= f cos t0 es decir, una determinada capa ionosférica reflejará siempre frecuencias más altas con una incidencia oblicua que con incidencia vertical. El análisis de una situación ionosférica determinada se realiza frecuentemente mediante sondeos verticales, comprobando el valor de fV o frecuencia máxima que en ese momento se refleja bajo un ángulo de incidencia vertical. A esta frecuencia se le denomina frecuencia crítica -fo-. Vemos como al aumentar el ángulo de incidencia también aumenta la frecuencia máxima utilizable junto al alcance,siendo esto último por razonesgeométricas evidentes-fig.3.2ra- yos 3 y 4-.
  • 19. 17 Asimismo vemos como en un frente de ondas que estaba siendo reflejadohacialatierra, al dis- minuir el ángulo de incidencia, llega un momento en el que en lugar de reflejarse totalmente se refracta realizando una penetración lateralenlaionosfera -fig. 3.2 rayo 1-, pudiendo retornaralatierrabajoán- gulos muy diferentes. A este ángulo, por debajo del cual no existe un retorno neto de los frentes de onda previsto por leyes geométricas lo denominamos ángulo de distancia de silencio4 . Si seguimos disminuyendo el ángulo de incidencia aún más, nos encontraremos con queelfrente de ondas incidente no sufrirá una refracción suficiente y después de una ligera desviación escapará al espacio exterior, denominándose entonces rayos de escape-Fig. 3.2, rayo 2-,loscualeshanincidido en la ionosfera bajo un ángulo inferior a un ángulo límite denominado ángulo crítico. 4 Denominado habitualmente en la literatura anglosajona como ángulo de skip. A estas conclusiones hemos llegado considerando una superficie terrestre y una ionosfera ambas planas, así como una densidad de iones estable en cada punto a lo largo del tiempo. Si conside- ráramos que la tierra tiene forma esférica y que la densidad de electrones varía en cada punto y a lo
  • 20. 18 largo del tiempo, obtendríamos expresiones realmente complejas para encontrar la frecuencia a utilizar en función de la frecuencia reflejada bajo incidencia vertical. La práctica demuestra que es suficiente introducir un coeficiente de corrección k para obtener una aproximación adecuada. Así la ecuación 3.5 queda de la siguiente forma, f = k fv sec t0 (3.7) En esta expresión, en la que lo mas importante es su forma funcional,fveslamáximafrecuencia reflejada en incidencia vertical, to es el ángulo de entrada del frente de onda en la ionosfera y k una constante cuyo valor dependerá dela capa en cuestión sobre la que se efectúa la refracción y de las cir- cunstancias particulares de cada momento, tales como la estación del año, momento del ciclo solar en el que estemos, etc. Es en el cálculo del valor de ésta constante, para cada caso en particular, donde se centran todos los esfuerzos de los diferentes programas para la predicción de la propagación ionosférica.
  • 21. 19 4 LA PROPAGACIÓN REAL. Cuando una onda de radio se refracta en alguna capa ionosférica y vuelve a la tierra decimos que ha efectuado un salto, denominándose Distancia de Salto Único-DSU- aladistancia que, sobre la superficie terrestre, separa el punto de emisión de la señal del punto de llegada de nuevo a la tierra. El valor máximo que toma esa magnitud para una capa determinada en unas condiciones determinadas recibe la denominación de Máxima Distancia de Salto Único -MDSU-. Denominamos Ángulo de Radiación -AR- al ángulo formado por la trayectoria de la onda radioeléctrica emitida por una antena con el plano de la tierra. Las ondas emitidas bajo un gran ángulo desviarán poco su trayectoria, no retornando a la tierra. El ángulo a partir del cual se produce el retorno recibe el nombre de Ángulo de Radiación Crítico -ARC-. El valor de este ángulo dependerá fundamentalmente de la frecuencia utilizada, de la capa donde se efectúe la reflexión y de la distancia entre emisor y receptor. Definimoszona de silencio5 a la distancia comprendida entre el punto donde ya no se recibe la señal transmitida, debido a la atenuación de la onda de tierra, y el punto donde de nuevo volvemos a recibirla, debido a la onda reflejada. Más adelante veremos como éste no es un concepto absoluto, ya 5 Denominada habitualmente en la literatura anglosajona como distancia de Skip.
  • 22. 20 que la señal puede ser recibida en esta zona a causa del fenómeno de dispersión unas veces, y por efecto de la capa Esporádica E en otras ocasiones. Frecuentemente es más práctico considerar el trayecto de una onda radioeléctrica como el resultado de una reflexión en lugar de una refracción. Para una determinada DSU hablamos de una Altura Virtual -AV-, que es la altura donde estaría situada una hipotética capa que reflejaría nuestras ondas, de manera que obtuviéramos la misma DSU. Asimismo,definiremoselAncho de Banda de Propagacióncomo el conjunto defrecuencias utilizable para establecer un enlace radioeléctrico entre dos puntos geográficos determinados. Al límite superior de dicho intervalo lo denominamos frecuencia máxima utilizable o MUF6 yallímiteinferior frecuencia mínima utilizable o LUF7 . Entre ambos límites situamos la Frecuencia Óptima de Trabajo -FOT- como frecuencia mas adecuada al uso concreto que se pretende. Podemos considerar como válida la mayoría de las veces la aproximación que utiliza el valor de la FOT como 0.85 veces el valor de la MUF [CCIR 90b]. Todos estos valores se definen para unas condiciones de trabajo determinadas tales como potencia utilizada, modo de transmisión, la hora solar en los puntos de emisión y recepción de la señal, época del año, actividad solar, etc. 6 De la expresión inglesa Maximum Usable Frecuency. 7 De la expresión inglesa Lowest Usable Frecuency.
  • 23. 21 Naturalmente, una onda radioeléctrica puede refractarse en la ionosfera, retornar a la tierra y reflejarse sobre ella para, de nuevo, volver a refractarse y así realizar un número variable desucesivos saltos, número que depende tanto del estado de la ionosfera como de las capas envueltas en la re- fracción, así como de la naturaleza de la superficie terrestre donde se efectúen las reflexiones. Esto provoca el que, en determinadas condiciones, el receptor pueda captar ondas que han realizado un diferente númerode saltos, bien por haber sido emitidas bajo diferentes ángulosdeemisión y haberse refractado en distintos puntos de la misma capa ionosférica, bien debido a que el trayecto de llegada se ha realizado por circunvalación de la superficie terrestre en distintos sentidos. Losdistintos recorridos provocan la llegada de diferentes frentes de ondas con el mismo contenido pero con diferen- cias de tiempo, lo cual causará en definitiva fenómenos de desfase e interferencia con la consecuente alteración de la información transmitida. La repercusión final de esos procesos dependerá de las exigencias de fiabilidad del enlace, del modo de codificación de la información y de la forma de transmisión. Así pues, todas estas alteraciones en la onda radioeléctrica transmitida apenas producirán trastornos a una emisión en código Morse transmitidoyrecibido manualmente por operadores expertos, causarán dificultadesdecomprensiónen determinadas circunstancias en la emisiones vocales de amplitud modulada -AM- o en banda lateral única-BLU-, y crearán severas alteraciones en los diferentes modos de transmisióndigitalcomoRTTY -radioteletipo-, ASCII, etc.
  • 24. 22 Esto ha determinado la creación de nuevos modalidades de transmisión digital con sistemas de corrección de errores comoPACKET RADIO8 , AMTOR -comercialmente denominadoTOR9 - en sus distintas modalidades FEC10 , ARQ11 , etc., siendo necesario destacar la última aportación efectuada, denominada PACTOR que, como su nombre indica, es una asociación de las mejores características de los modos digitales PACKET y TOR. 8 Versión para Radioaficionados del protocolo X25. 9 Del inglés, Transmiting Over Radio. 10 Del inglés, Forward Error Correction. 11 De la expresión inglesa Automatic Repeat reQuest. La propagación de una onda electromagnética entre dos puntos situados en la superficie terrestre se efectúa habitualmente por el camino mas corto, recorrido sobre un círculo máximo, que es la línea imaginaria producida por el corte de la superficie terrestre con un plano que pasa por los puntos de emisión y recepción de la onda, así como por el centro de la tierra. Sin embargo a veces no es éste
  • 25. 23 el camino seguido, pues la trayectoria realizada sigue un círculo máximo pero por el camino mas largo. Esto puede ser debido, entre otros factores, a que este camino largo se recorra por un área donde al ser de noche, la capa D, principal responsable de la atenuación de las ondas refractadasenlaionosfera, ha desaparecido, pudiendo suceder además que, las reflexiones producidas sobre la tierra amortigüen más la onda que va por el camino corto que la del camino largo. Esto último puede suceder si las últimasreflexiones se producen sobre zonas altamente conductoras, y por tanto muy reflectantes,como la superficie del mar. Denominamos línea o franja gris a la línea que separa el día de la noche. En una cara de la tierra avanza hacia el día con el amanecer y en la cara opuestaavanza hacia la noche con el atardecer. La propagación a lo largo de la línea gris es muy eficiente, debido fundamentalmente a que la capa D, que absorbe fuertemente la radiación electromagnética, desaparece rápidamente con el anochecer y no le ha dado tiempo a formarse en el lado del amanecer, eliminándose de esta manera y en ese recorrido el principal obstáculo para la CLD. Consideraremos en último lugar el fenómeno denominado dispersión12 , por el cual una onda altera la trayectoria esperada según las leyes puras de la refracción y reflexión. La dispersión o scatter puede ser en sentido directo o de avance, produciéndose en la troposfera y para frecuencias superiores a los 20 MHz. Esto tiene como consecuencia la recepción de la señal radiada en la zona de silencio, siendo un fenómeno esporádico y poco utilizable para enlaces fijos. A veces observamos que después del primer salto las ondas se reflejan sobre la tierra hacia el transmisor, ya que la superficie terrestre no
  • 26. 24 es, en general, un medio liso y homogéneo, hablándose entonces dedispersión inversa. Este fenóme- no, cuando se produce, es más estable, ayudando a disminuir la zona de silencio. Veremos a continuación el comportamiento genérico respecto a la CLD de las distintas bandas de radioaficionado, ya que será en ellas donde se realizarán todos los desarrollos experimentales, al estar uniformemente distribuidas por todo el espectro de frecuencias de la HF y ser accesibles con los menores trámites administrativos y legales[ARR92]. Hacemos la salvedad de que la banda de 1.8 MHz, correspondiente a 160 metros de longitud de onda, no pertenece en realidad a la HF sino a las frecuencias medias o MF, pero la incluimos aquí porque su uso puede ser, en algunas situaciones, determinante para conseguir el enlace deseado. 12 Denominado Scatter en inglés. Banda de 1.8 MHz (160 metros de longitud de onda). Sufre extrema absorción en la capa D durante el día, aunque las señales emitidas bajo ángulos muy altos pueden retornar a la tierra, proporcionando durante lashora diurnas un alcance de hasta 125 Km, aproximadamente.
  • 27. 25 Durante la noche, al disiparse la capa D, las señales emitidas con ángulos de radiación bajos proporcionan alcance de varios miles de Km. Los ruidos estáticos y los procedentes de las tormentas sonmuyabundantesduranteel verano, llegando a veces a hacer imposible su uso. Es por tanto una banda nocturna y de utilización preferente durante el invierno. Banda de 3.5 MHz (80 metros de longitud de onda). Comportamiento muy parecido a la banda de 1.8 MHz pero sin tanta absorción diurna, por lo que su alcance puede llegar durante el día hasta los 400 Km. Durante la noche sus señales pueden llegar a los antípodas, manteniéndose la sensibilidad a los estáticos y a las ruidos producidos por las tormentas estivales. Es pues una banda nocturna e invernal como la anterior. Banda de 7 MHz (40 metros de longitud de onda).
  • 28. 26 Es la banda de frecuencia más baja en la que apreciamos la existencia de una zona de silencio o de skip. Podemosutilizarla durante el día para comunicaciones hasta una distancia de unos 800 Km, distancia que variará en función de la hora solar en el punto donde se realiza la primera, y en general única refracción diurna, lugar que está situado normalmente en la mitad del trayecto entre el punto de emisión y el de recepción. Durante la noche posibilita comunicaciones alrededor del mundo entero, aunque de nuevo una cierta sensibilidad a los ruidos estáticos y a los producidos por tormentas provoca cierta incomodidad durante los meses veraniegos, sin llegar al extremo de las dos bandas anteriores, por lo que podremos usarla durantelashorasnocturnastantoen invierno como en verano. Es la banda de radioaficionados de frecuencia más baja utilizable para realizar comunicaciones alrededor del mundo entero. Banda de 10 MHz. (30 metros de longitud de onda).
  • 29. 27 Posee características comunes a las bandas diurnas y nocturnas, pudiéndose utilizar hasta los 1600 Km durante el día y proporcionando un alcance mundial durante la noche. Si bien, en general, puede ser considerada una banda de uso durante las 24 horas, durante las épocas de mínimo solar la MUF puede caer por debajo de los 10 MHz, pasando entonces a poseer el perfil de las bandas diurnas de frecuencias más altas. Es la banda de frecuencia más baja en la que se hace notar el efecto de las variaciones debidas al ciclo solar. Banda de 14 MHz. (20 metros de longitud de onda). Es la banda más usada para la CLD, pues está siempre disponible durante las horas diurnas con independencia de la influencia del ciclo solar, aunque en los momentos de máxima actividad de este queda abierta para las comunicaciones también durante toda la noche, pues es una frecuencia lo suficientemente elevada como para no sufrir una gran absorción en la capa D y al mismo tiempo lo suficientemente baja como para refractarse de una forma adecuada en las capas F1 y F2. Presenta una zona de silencio apreciable, no siendo de gran perturbación los ruidos estáticos sobre las comunicaciones.
  • 30. 28 Todas estas características positivas generan un importante problema que es la gran congestión existente en esta banda, lo cual produce frecuentes interferencias entre las distintas transmisiones. Banda de 18 MHz. (17 metros de longitud de onda). Similar en muchos aspectos a la banda de 21 MHz que describiremos a continuación, pero sin un influjo tan marcado de la actividad solar. Durante los años de elevada actividad solar es utilizable durante el día y las primeras horas de la noche para comunicaciones con todo el mundo, mientras que los períodos en los que esta actividad es moderada se cierra para todas las comunicaciones inmediatamente al anochecer. En los períodos de baja actividad solar es utilizable únicamente en las horas de mediodía en trayectos norte-sur y sólo en latitudes medias o en el ecuador. Banda de 21 MHz. (15 metros de longitud de onda).
  • 31. 29 Comportamiento muy similar a la banda de 14 MHZ pero con una gran dependencia de la actividad solar. En los años en los que esta es máxima se mantiene abierta durante todo el día y hasta muy avanzada la noche a las comunicaciones con todo el mundo, pasando a ser una banda diurna en los años de actividad solar media y cerrándose completamente los años de baja actividad solar. Banda de 24 MHz. (12 metros de longitud de onda). Banda fundamentalmente diurna durante los períodos de moderada y baja actividad solar, siendo utilizable hasta bien avanzada la noche en los máximos de la misma. Nunca queda sin actividad salvo en los añosdemínimo solar en latitudes altas. Incluso entonces se activa por esporádica E desde el final de la primavera hasta el otoño, aunque a veces es utilizable en ciertos períodos del invierno. Banda de 28 MHz. (10 metros de longitud de onda).
  • 32. 30 Es la banda con variaciones más extremas respecto al ciclo solar, durante cuyos máximos es posible establecer comunicaciones a grandes distancias utilizando muy poca potenciaeneltransmisor durante el día y hasta horas muy avanzadas de la noche. Alir decayendo la actividad solar va recortándose el número de horas que es utilizable, llegando a quedar totalmente sin propagación durante los años de mínimo solar. También se activa por esporádica E desde finales de Abril hasta mediados de Agosto, con total independencia del ciclo solar. Si pretendemos establecer una comunicación entre dos puntos de la superficie terrestre separados por una determinada distancia necesitaremos conocer el intervalo de frecuencias que podemos utilizar, ya que si utilizamos frecuencias muy altas pueden no reflejarse en la ionosfera y escapar al espacio exterior y si utilizamos frecuencias muy bajas obtendremos una comunicación con ruidos excesivos y utilizando potencias mayores de las estrictamente necesarias[MAS87]. El intervalo de frecuencias utilizables está limitado para cada lugar y momento por la frecuencia máxima utilizable y la frecuencia mínima utilizable, es decir la MUF y la LUF. La MUF la obtendremos multiplicando la frecuencia crítica por un factor que manifieste la relación existente entre la distancia de transmisión, el ángulo de elevación de la onda transmitida y la capa ionosférica donde se efectúe la refracción, pero la dificultad principal para la obtención de este
  • 33. 31 factor va a ser la variación de la ionización en las distintas capas ionosféricas, las cuales se corresponden con la distinta radiación solar durante el día y la noche, durante las distintasestacionesdel año y a lo largo del ciclo solar de los once años. La LUF nos va a venir determinada por la absorción ejercida por la capa D, que va a ser inversamenteproporcionalalaraízcuadradadelafrecuenciautilizada.Dadoquelautilidadonodeuna señal determinada para la realización de una comunicación va a venir determinada por el hecho de que la relación señal/ruido de la onda recibida sea mayor que la permitida por el receptor utilizado, la LUF va a estar influida por todos aquellos factores que modifiquen la cantidad de energía que finalmente llegue al lugar de recepción, siendo mayor cuanto más lo sean las pérdidas sufridas por la onda en su camino desde el emisor hasta el receptor cualquiera que sea el origen de las mismas. Cuando se incre- menta la potencia de transmisión, disminuyen las pérdidas de propagación ionosférica o se mejora el rendimiento de las antenas se obtiene un descenso, a veces muy importante, de la mínima frecuencia utilizable. Entre ambos límites se sitúa la frecuencia óptima de trabajo o FOT, que como ya hemos mencionado, se obtiene de una manera empíricamultiplicandoporelfactor0.85elvalormediomensual de la MUF para el circuito en cuestión. Una vez tenidos en cuenta todos los efectos anteriormente mencionados, vemos como nuestro principal objetivo va a ser la determinación de la frecuencia críticaparaundeterminadocircuito,locual,
  • 34. 32 como vamos a ver a continuación, no resultará fácil dada su dependencia de múltiples factores, algunos de los cuales van a resultar a efectos prácticos casi aleatorios. Denominaremos f0X a la frecuencia crítica de la capa X, siendo la máxima frecuencia reflejada desde esa capa. Así f0Eyf0F2 son las frecuencias críticas de las capas E y F2 respectivamente en una situación determinada, que estará relacionada con las densidades electrónicas máximas en la mismas. La densidad electrónica crece con la altura, siendo mínima en la capa D y máxima en la capa F2 por lo que f0F2 será siempre mayor que f0E y tomándose como válida, en general y para incidencia vertical, la igualdad, MUF = f0F2 Como ya hemos visto en la expresión (3.1), a la frecuencia de plasma fN la podemos expresar con bastante aproximación como fN = 9 N1/2 (4.1) siendo N la densidad electrónica en una capa determinada y fN la frecuencia en Hz.
  • 35. 33 Si tomamos Nm como el valor máximo de la densidad electrónica en una capa, todas las ondas con incidencia vertical y con una frecuencia menor a su frecuencia de plasma serán capaces de volver a la tierra, estando la frecuencia crítica expresada por lo tanto como f0 = 9 Nm 1/2 (4.2) Podemos ver algunos valores habituales en la tabla de la siguiente página, aunque desgraciadamente estos valores sólo nos sirven como referencia, ya que para un mismo recorrido podemos observar grandes variaciones en la frecuencia crítica con el transcurrir del día, con los cambios de estación a lo largo del año y con los años dentro del ciclo de los once años, sin contar con la posible ocurrencia de variaciones en la propagaciónprevista,debidasairregularidadesenlaradiación solar y a otros fenómenos como las esporádicas E, auroras boreales, etc. Podemostenerunaapreciacióndeestavariabilidaddelascondicionesconsiderandoquesehan determinadovalores de la f0F2 que no alcanzaban los 2 MHZ durante los años mas bajos del ciclo solar y tan altos como 15 MHz en presencia de esporádicas E, pudiéndose considerar como normal un valor de 10 MHz.
  • 36. 34 CAPA IONOSFÉR. PERÍODO CONC. ELECTR. F. CRÍT. (MHz) D Mediodía 108 - 109 0.09 - 0.28 E Mediodía 1011 2.8 F1 Día 2 1011 4.0 F2 Día 1012 9.0 F2 Noche 5 1010 2.0 Tabla 4.1
  • 37. 35 5 LA CALIDAD DE LA SEÑAL. Otro factor a tener en cuenta y tan importante como la MUF para un determinado recorrido es la calidad de la señal obtenida, pues de nada nos serviría recibir una señal con una aceptable relación señal/ruido si la distorsión sufrida durante el trayecto es de tal magnitud que nos imposibilite la decodificación de la misma. Una onda electromagnética sufre durante su recorrido desde el punto de emisión al de recepción diferentes alteraciones, siendo las mas importantes para el caso de una onda reflejada en la ionosfera las debidas a atenuación, retardo, fading o desvanecimiento, desplazamiento en frecuencia (Doppler), dispersión en frecuencia y en tiempo y distorsión de retardo. Tomemos una señal compleja y por tanto con distintas frecuencias dentro de un ancho de banda, la denominamos E(t) y la transmitimos de un punto a otro de la superficie terrestre, realizando este paso mediante una única reflexión ionosférica. Como toda onda que cruza un medio físico sufrirá retardo. Al ser la ionosfera un medio dispersivo, las distintas frecuencias que componen nuestra onda recorreráncaminosligeramentedistintos,locualconduciráaretardostambiéndistintosparalasmismas. A esta nueva onda compleja, distorsionada por el retardo temporal, la denominaremos E´(t).
  • 38. 36 Sabemos también que nuestra onda va a sufrir atenuación y desvanecimiento13 aleatorio, el primero de estos procesos debido a que el proceso de refracción ionosférica no tiene un rendimiento total del 100 % y el segundo producido por súbitas variaciones de los valores de ionización debidas a su vez a alteraciones de la radiación solar en el punto de la ionosfera donde se produce la refracción. Estamultiplicidad de procesos podemosincorporarla a nuestra onda E´(t) multiplicándola por una ganancia aleatoria expresada por G(A,v,s,t), dondeA representa la atenuación con un valor entre 0 y 1, v y s representan al fading en términos de desplazamiento y dispersión de frecuencia respectiva- mente. Ahora la onda que recibimos ER(t) tendrá la siguiente expresión, ER(t) = G(A.v,s ,t).E´(t-t) (5.1) 13 Fading en lengua inglesa.
  • 39. 37 Debemos ahora tener en cuenta el hecho de que nuestra onda puede haber sido reflejada por las capas E o F1, que puede además haberse dividido en dos haces, uno ordinarioyotroextraordinario, debido al efecto del campo magnético terrestre14 y que finalmente puede haber llegado mediante un único salto o mediante varios. Todas estas posibles variaciones configuran los distintos modos de transmisión de una onda. Para el modo j-ésimo tendremos la expresión siguiente, ERj(t) = Gj(Aj,vj,s j,t).E´(t-tj) (5.2) y la señal recibida, expresada como resultado de la suma de los diferentes modos, tendrá finalmente la siguiente expresión, ER(t) = j=1? n Gj(Aj,vj,s j,t).E´(t-tj) (5.3) Si además deseamos considerar la señal que nos pueda llegar a través de la onda de superficie (onda de tierra), esta sufrirá un retraso tg diferente pero no tendrá variaciones aleatorias y la nueva expresión de nuestra onda será, Eg(t) = Ag(t-tg) + j=1? n Gj(Aj,vj,s j,t).E´(t-tj) (5.4) 14 Denominado habitualmente en lengua inglesa como splitting.
  • 40. 38 La aparente complicación de esta expresión se ve disminuida por el hecho de que la mayor parte de los distintos modos posibles sufre una fuerte atenuación, siendo útiles tan sólo unos pocos de ellos y siendo también frecuente el que no tengamos influencia alguna de la onda de superficie debido al relativo corto alcance de la misma. Veamos ahora con detalle cada uno de los fenómenos anteriormente expuestos, su causa, magnitud, variabilidad y efecto sobre la onda transmitida [MAS90]. Dispersión temporal (tj): La señal que obtenemos en el punto de recepción es en realidad una suma de señales que han realizado recorridos muy distintos y que por tanto han sufrido distintos retrasos, dando lugar a una dispersión en el tiempo de la onda final. Esto es lógico si tenemos en cuenta que podemos estar recibiendo simultáneamente la señal propagada a través de la denominada onda de tierra junto a la refractada en la ionosfera, refracción que se ha podido realizar en varias capas de la misma simultáneamente y que por tanto ha podido dar lugar a distinto número de saltos durante su trayecto. Debemos de tener en cuenta también la posibilidad de estar recibiendo además señales que hanrealizadodistintos trayectos ionosféricos debido a la posible incidencia en la ionosfera bajo
  • 41. 39 las denominadas trayectorias de ángulos alto y bajo, junto a la posibilidad siempreexistentede que el efecto magnetoiónico en la ionosfera haya desdoblado nuestra onda en dos haces , ordinario y extraordinario, bajo la influencia del campo magnético terrestre. Todos estos procesos pueden interferir gravemente en la transmisión de datos cuanto estos retrasos son de magnitud comparable al período de la información digital transmitida, es decira la duración de la información que separa un estado digital del siguiente transmitido, que denominaremos duración de estado, denominando al fenómeno descrito comointerferencia interestados. Estudios recientes al respecto demuestran que existe una frecuencia por debajo de la MUF en la que la dispersión en el tiempo toma valores máximos. Valores que pueden servirnos como referencia son los siguientes [DAV66]: para un recorrido de 2.500 Km podemos llegar a tener una dispersióntemporalmáxima de 3 ms, para 1.000 Km de 5 ms y para 200 Km puede llegar a los 8 ms. Vemos por tanto como una elección adecuada de la frecuencia a utilizar es algo básico para obtener elevadas frecuencias de transmisión de datos, estando limitada la elección a un estrecho intervalo de frecuencias por debajo de la MUF ya que si descendemos mucho por debajo de la mismaincrementamosnotablemente la posibilidad de encontrar grandes retrasos por trayectos múltiples y de que por tanto tengamos que recurrir a la disminución del ritmo de transmisión de datos para poder evitar la interferencia interestados.
  • 42. 40 Desvanecimiento (Gj): Es frecuente que al analizar las señales recibidas en un receptor veamos que fluctúan en amplitud y fase, fenómeno al que hemos denominado desvanecimiento, que se aprecia como disminuciones de la intensidad de la señal recibida, con un carácter periódico y de frecuencia variable, del que son responsables los cambios que sufre la ionosfera. Estos son básicamente cambios en la curvatura del reflector ionosférico, rotaciones en los ejes de la elipse de polarización, variaciones temporales de la absorción y cambios en la densidad electrónica de la ionosfera, todo esto en lo que se refiere a un único modo de propagación, ya que a todo lo anterior debemos añadir los fenómenos de interferencia entre dos o más modos que tengan amplitudes equivalentes. En trayectorias de 2.000 Km el desvanecimiento más común es el producido al amanecer y al anochecer, con un ritmo típico de 10 a 40 desvanecimientos por minuto Dispersión en frecuencia (vj): El desplazamiento en frecuencia que se produce para una trayectoria simple (de modo único) está causado por las variaciones producidas en el tiempo de la altura de la capa reflectora y de la densidad electrónica.
  • 43. 41 En el caso de que el transmisor y el receptor estén fijos y si ? es el ángulo de fase para un determinado haz en un tiempo t, resulta, Los mayores desplazamientos en frecuencia-debidos al efecto Doppler- ocurrenduranteeldía, con valores positivosrelativamente elevados durante el amanecer y valoresnegativosduranteel atardecer. En días en los que no hay grandes alteracionesionosféricaspodemosobtenervalores que oscilan entre 0.01 y 1 Hz para trayectos de salto único, siendo en general mayores para las trayectorias con reflexión en la capa F que para las que lo hacen en la capa D, incrementándose en mayor medida en las incidencias verticales que en las oblicuas. No obstante, es frecuente encontrarse con desplazamientos entre 5 y 10 Hzdurantelaocurren- cia de grandes alteraciones ionosféricas , aunque sólo durante unos pocos minutos. Nos puede servir como referencia el hecho de que durante las llamaradas solares encontramos desplazamientos de 1 - 2 Hz. Dispersión en el tiempo (s j): Dado que cada modo de propagación está compuesto por un número determinado de rayos o haces con trayectorias ligeramente diferentes, cada uno de ellos sufrirá desplazamientos en frecuencia ligeramente diferentes, resultando una dispersión de las frecuencias recibidas. cdt fd =vj ?
  • 44. 42 Valores aproximados en condiciones ionosféricas de tranquilidadpodríaser[MAS87]de0.02 Hz para las reflexiones en la capa E y de 0.15 Hz para las efectuadas en la capa F. Esta dispersión en frecuencia modula cada pulso transmitido y contribuye al desvanecimiento periódico de los pulsos recibidos, aunque con un período mayor que la duración típica de los mismos. Distorsión por retardo (tj): La distorsión por retardo tiene su origen en el hecho de que el retardo sufrido por una onda depende de su frecuencia y por tanto no es constante para las distintas frecuencias contenidas en un ancho de banda determinado y en que la dispersión causada por la reflexión en la capa E es muy pequeña mientras que es de mayor magnitud si la capa reflectora es la F. En lo que se refiere a la transmisión de datos la importancia de la distorsión por retardo está relacionada con la tasa de cambio del retardo con la frecuencia y el tiempo, dado que un canal depropagaciónionosféricanoesestacionarionienfrecuencianientiempo,aunquesilimitamos el ancho de banda a unos 10 KHz y consideramos un tiempo lo suficientemente corto, alrededor de 10 minutos, podremos utilizar frecuentemente el modelo estacionario. De esta forma y considerando un número discreto de modos de propagación, podemos modelar
  • 45. 43 nuestro canal ionosférico mediante una línea de retardo con un numero también discreto de tomas, cada una de las cuales estará modulada en fase y amplitud por un coeficiente que varía en el tiempo.
  • 46. 44 6 LA ELECCIÓN DE LA FRECUENCIA. La posibilidad de comunicación en HF a través de la ionosfera entre dos puntos geográficos determinados va indisolublemente ligada a la capacidad de determinar en cada momento cuál es la frecuenciaadecuadaparallevarlaacabodesdeelprimermomentoenelqueseinicialacomunicacióny a todo lo largo del tiempo que dure la misma. A esta capacidad de elección de las frecuencias adecuadas en función de las condiciones existentes en cada momento se le acostumbra a denominar gestión de frecuencias. Esta gestión de frecuencias se lleva a cabo mediante diferentes técnicas, que podemos clasificar en tres grandes grupos: 1. Predicciones ionosféricas a largo y a corto plazo. 2. Sondeos por pulsos ionosféricos y sondeos con desplazamiento de la frecuencia. 3. Evaluación en tiempo real de las condiciones de los canales de transmisión existentes. 1. Predicciones ionosféricas.
  • 47. 45 Ya hemos visto como las grandes variaciones en las concentraciones de las distintas capas electrónicas tienen un fiel reflejo en la MUF de cada momento -tabla 4.1-. Para establecer una comunicación de la calidad adecuada es necesario mantener la frecuencia utilizada por debajo de la MUF de cada período pero sin bajarla demasiado para no sufrir una absorción ionosférica excesiva, siendo la mejor elección en general, la FOT de cada recorrido. Es posible en la actualidad cumplir estas condiciones con una exactitud muy adecuada a los fines para los que se pretende, gracias a diferentes programas para ordenador, que realizan el cálculo de la media mensual de la FOT para cualquier lugar del planeta, evalúan la adecuación de las posibles frecuencias utilizables en términos de relación señal-ruido probable y otorgan un factor de calidad o coeficiente de confiabilidad para un rango de las mismas y para cada recorrido estudiado, definiendoasí una ventana de frecuencias utilizables. El punto de partida de toda predicción de la MUF es la determinación de las frecuencias críticas de las capas E y F, es decir, f0Eyf0F. La determinación en cualquier momento y lugar de la f0E es fácil, debido a su relación directa con el ángulocenital solar, tiempo local y latitud, no existiendo sin embargo una relación tan directa como la anterior para la f0F, extremo éste de la máxima importancia, ya que es mucho mas frecuente el uso de esta última capa que el de ninguna otra, sobre todo en lo que a la CLD concierne. Esta dificultad se evita realizando sondeos de incidencia vertical en unas 200 estaciones distribuidas a lo largo y ancho de todo el mundo, obteniéndose cada hora valores de f0F2 y de factores
  • 48. 46 relacionados con la MUF. Con las medias mensuales suavizadas obtenemos mapas mundiales de frecuencias críticas y de factores de la MUF. Los mapas así obtenidos corresponden sólo a un determinado mes y con un determinado nivel de actividad solar, aunque como ya se han realizado mediciones durante más de un ciclo solar completo, tenemos disponibles mapas para cualquier mes y con cualquier nivel de actividad solar. A estos mapas se les denomina mapas numéricos, ya que se utiliza una función del tipof(?,?,t), donde intervienen las tres variables implicadas en la propagación ionosférica, la latitud ?, la longitud ? y el tiempo t. Dicha función se obtiene mediante el ajuste de series polinómicas de estas funciones a los datos ionosféricos previamente obtenidos, siendo especialmente útiles cuando deseamosefectuarpredicciones para un gran número de recorridos. Si comparamos las medianas mensuales de las predicciones obtenidas mediante el método recomendado actualmente por el CCIR [CCI90c] para las latitudes centrales europeas, con los datos obtenidosporsondeosdeincidenciaverticalduranteelúltimociclodelos11años,vemosqueexisteun acuerdo razonable entre ambos, con una variación menor del 10 % para la MUF. Ahora bien, este margen de error se duplica durante los períodos del amanecer y anochecer, pudiendo llegar hasta quin- tuplicarse en estas mismas situaciones durante el período estival [CCI90d].
  • 49. 47 La dificultad real de este tipo de predicción es que se basa en la observación estadística de períodos anteriores, por lo cual no es capaz de tener en cuenta las variaciones diarias originadas por la irregularidad de la actividad solar. Es por ello que tiene su utilidad en la predicción del comportamiento de base de la propagación ionosférica para cada período del año y en relación a la situación del año dentro del ciclo solar, debiendo ser complementada por otras técnicas de predicción para períodos más cortos junto a la realización de sondeos y utilización de balizas. A la hora de efectuar predicciones de la LUF las dificultades aumentan, pues a la dependencia de las condiciones ionosféricas hay que añadir la dependencia de las condiciones con las que estamos trabajando, potencia de transmisión, equipos receptores, antenas, etc. El límite inferior de la frecuencia más baja utilizable depende a su vez de la relación señal/ruido menor que admita el servicio que pretendemos utilizar. Es lógico suponer que no necesitamos la misma intensidad de señal para retransmitir complejas formas de onda para un enlace de alta velocidad de transmisión de datos que para una emisión de audio de alta fidelidad, de TV de alta definición o de un enlace telegráfico con código Morse. A todo lo anterior es necesario añadir la dificultad con la que los distintos programas de ordenador para la predicción de la fuerza relativa de la señal llevan a cabo el cálculo de la misma, obteniéndose a veces resultados dispares entre distintos programas. Podemos decir que, en general, las pérdidas producidas a lo largo de un determinado recorrido dependen de la dispersión espacial de la energía, de la absorción ionosférica y de la existencia o no de la posibilidad de enfocar adecuadamente la energía transmitida en la dirección adecuada.
  • 50. 48 El primero de estos factores, las pérdidas por dispersión espacial, es de fácil apreciación mediante simples cálculos matemáticos. Sin embargo, el cálculo de la energía absorbida por la ionosfera es un proceso muy complejo que dependerá de la existencia de un buen modelo de lo que podríamos denominar atmósfera standard, para lo cual debe de tener una buena representación analítica de la variación de la concentración electrónica con la altura. Es muy importante tener en cuenta que esta dificultad de modelado es máxima a la hora de representar el comportamiento ionosférico en situaciones como el amanecer, el anochecer, auroras boreales, etc. El último de los factores, la capacidad de dirigir o enfocar la energía radiada en la dirección deseada, tiene una gran variabilidad, desde situaciones inmejorables entre estaciones fijas con antenas directivasycapacidadmultibanda,hastalasdificultadesprovenientesdeestacionesmóvilesconantenas isotrópicas, de pequeño tamaño y sin compensar adecuadamente para su uso en las distintas bandas de frecuencia. Podemos por tanto afirmar que, para realizar cualquier prediccióndelaLUF,esbásicoteneren cuenta tanto la potencia transmitida como el rendimiento y características del sistema de antenas. Cualquier disminución de la potencia eficaz transmitida en la dirección deseada o una alteración de las característicasderendimientodelasantenasutilizadas,limitaráengranmaneralaventanadefrecuencias utilizables en un determinado recorrido.
  • 51. 49 2. Sondeos. Mediante los sondeos evaluamos propiedades del medio ionosférico tales como respuesta del canal utilizado a un impulso de corta duración, retrasos en la propagación y amplitud de la señal recibida. A través de los sondeos medimos larespuestadecadacanalbajoprueba,transmitiendobienun pulso electromagnético bien una señal cuya frecuencia se desplaza a lo largo del tiempo y entre unos límites determinados, estudiando luego las características de la onda reflejada. Los sondeos mediante pulsos consisten en la emisión de un pulso de gran potencia y corta duración en frecuencias previamente seleccionadas, analizándose la señal después de su reflexión en la capa elegida. Los sondeos mediante desplazamientos lineales de frecuencia15 seefectúanenviandounaseñal de baja potencia cuya frecuencia se desplaza en el tiempo entre 2 y 30 MHz. Mediante un preciso sincronismo entre el emisor y el receptor, operando este último en conjunción con un analizador de espectro, podemos determinar todas las características que nos interesan de la propagación en ese 15 Denominados como chirpsounding en la literatura inglesa.
  • 52. 50 recorrido, tales como retardos, desplazamientos en frecuencia, potencias recibidas en las distintas frecuencias, etc. Procesando esos datos podemos obtener estadísticas sobre la ocupación de los distintos canales, sus niveles de ruido, atenuación, etc, pudiéndose tomar decisiones respecto a cuales son las mejores frecuencias a utilizar por tener las mejores condiciones de propagación, y dentro del rango de frecuencias elegido las frecuencias específicas con los menores niveles de ruido. Ambas técnicas se pueden utilizar con incidencia vertical u oblicua en la capa ionosférica cuyas propiedades queremos determinar. En este último caso, debemos disponer el emisor y el receptor en los extremos del trayecto a estudiar, o bien podemos tener ambos en el mismo lugar y aprovechar la reflexión irregular en el suelo de la onda reflejada en la ionosfera con incidencia oblicua -sondeo por dispersión inversa-16 . Otra técnica de sondeo bastante utilizada es la que se concreta en la comprobación sólo de determinadas frecuencias o sondeo de canales. Para llevarla a cabo es necesario un buen sincronismo entre receptor y emisor, llevándose éste a efecto mediante relojes controlados por cristal de cuarzo. La ventaja fundamental de este último sistema consiste en que comprobamos únicamente aquellas frecuencias que sabemos podemos utilizar, debido a limitaciones administrativas o técnicas. Además 16 Denominado backscatter sounding en la literatura inglesa.
  • 53. 51 esta rapidez en el análisis de las frecuencias disponibles nos permitirá utilizar vías inusuales de propagación y corta duración, como esporádicas-E, etc. 3. Evaluación en tiempo real de los canales de transmisión existentes. Las predicciones de propagación nos proporcionan ventanas de frecuenciaspara recorridos y períodos de tiempo determinados con una aproximación del 10 %, siendo corriente asimismoindicarla FOT prevista para cada hora. En un circuito real lo más frecuente es elegir de entre las frecuencias previstas como utilizables un conjunto de las mismas durante el día y otro durante la noche para el recorrido que nos interesa. Este proceso puramente teórico tiene como principales dificultades las siguientes: - No tenemos en cuenta las interferencias producidas por otros usuarios. - El volumen de datos sobre los que se han realizado los cálculos es frecuentemente muy limitado. - Ciertos fenómenos de ocurrencia aleatoria, como las alteraciones ionosféricas repentinas, tormentas ionosféricas y alteraciones en los casquetespolares,nopuedenserprevistos,dadala propia naturaleza de esos fenómenos.
  • 54. 52 - Otros fenómenos transitorios, como la ocurrencia de esporádicas-E, no son siempre previsibles. Para conseguir salvar la mayor parte de estas dificultades se acostumbra arealizarpredicciones a corto plazo, que se basan en la información obtenida en tiempo real de la actividad solar, de los parámetrosionosféricosydelapropiainformaciónsobrelapropagaciónobtenidamediantelascomuni- caciones que en ese momento se están llevando a cabo. A pesar de todo, todavía seguimos observando los siguientes inconvenientes: - Los datos correctores están basados en un muestreo realizado en tiempo real y de una forma limitada, por lo que no podemos garantizar su adecuación para todos los recorridos. - La transmisión en tiempo real del flujo de información generado encuentra problemas logísticos y económicos para su realización. - Las correcciones así transmitidas no delimitan en general cual es el subconjuntodefrecuencias más adecuado para un determinado recorrido. - De nuevo el ruido generado por la actividad humana no es tenido en cuenta, pues es muy variable en cada recorrido.
  • 55. 53 Vemos por tanto como el análisis y la predicción por ordenador de las frecuencias más adecuadas para establecer un enlace entre dos puntos determinados de la tierra y a una hora determinada pueden ser útiles, y de hecho lo son, para su utilización genérica y como punto de partida para determinaciones más específicas, pero no son suficientes cuando necesitamos disponer de vías de comunicación con alta disponibilidad y fiabilidad, máxime cuando uno o los dos puntos a enlazar están situados sobre vehículos en movimiento, aeronaves, automóviles o navíos. Es por ello por lo que se recurre frecuentemente al análisis en tiempo real de las frecuencias a utilizar, método que denominaremos por sus iniciales anglosajonas como RTCE, proveniente de Real Time Channel Evaluation, y que según el CCIR es "el conjunto de los procesos de medida de los parámetros apropiados de un grupo de canales de comunicación en tiempo real y el empleo de los datos así obtenidos en la descripción cuantitativa de los estados de esos canales y de sus capacidades relativas para ser utilizado con unos tipos determinados de tráfico de comunicaciones". En realidad lo que se pretende es obtener un modelo numérico para cada uno de los canales o frecuenciasanalizados, de manera que pueda ser utilizado como criterio diferenciadordelaadecuación del canal al uso que se pretende y con el fin de controlar todo el proceso de transmisión, llegándose más allá de la mera medición de las condiciones ionosféricasalúltimominuto,yaquepodremosteneren cuenta las interferencias producidas por los otros usuarios.
  • 56. 54 El término tiempo real implica el medir los parámetros deseados en el canal analizado a intervalos del mismo orden de magnitud del tiempo de respuesta del sistema a las entradas de control, pues de nada serviría tomar medidas que el sistema, por su lentitud en reaccionar, nopudierautilizar. Realmente esperamos algo mas que la frecuencia mas adecuada de trabajo de un sistema RTCE. Buscamos además los tiempos adecuados para iniciar la transmisión así como la velocidad de flujo de datos mas idónea. El esquema de funcionamiento de un sistema de este tipo es básicamente el siguiente: - Elegimos un número determinado de bloques de frecuencias en HF, los cuales vendrán determinados por ser aquéllos en los que estemos autorizados a trabajar o bien hallan sido recomendados por el organismo oficial adecuado por ser los más adecuados al fin que se pretende. - El tamaño de estos bloques debe de ser de pocos cientos de KHz de amplitud, pues es el intervaloenelquerazonablemente se conservarán las condiciones de propagaciónobservadas, de manera que cualquier apreciación de las condiciones de propagaciónrealizadasobreunade las frecuencias del bloque será considerada válida para todas las otras frecuencias que forman parte del mismo.
  • 57. 55 - Efectuaremos las pruebas de manera cíclica sobre una sóla de las frecuencias de cada bloque, en orden ascendente de frecuencia desde la menor a la más alta. - La prueba puede consistir únicamente en el envío de una señal por parte del emisor y su posterior evaluación en el puntode recepción o puede a su vez ser enviada información poste- riormente en sentido inverso hacia la estación inicialmente emisora. - Además de recibir y analizar señales en función de sondeo, el sistema debe ser capaz de medir los niveles de interferencia en todas las frecuencias de cada bloque, determinando la adecuación o no de las mismas para el uso que se espera de las mismas. La primera parte del proceso para cada canal a estudiar consiste en la medición del nivel de ruido de fondo en la estación que inicia la evaluación, siendo emitida esta información a la estación receptora donde se medirá además la relaciónseñal/ruidodelaemisiónrecibida,todoestonaturalmente si el estado de la propagación ha permitido la conexión. Una vez se ha efectuado la evaluación de una de las frecuencias de cada uno de los bloques disponibles se ha cerrado un ciclo, que puede volver a repetirse de manera inmediata o con intervalos programados según las necesidades del sistema. La estación receptora tiene entonces una apreciación general del estado de la propagación en ese momento y puede iniciar el enlace, eligiendo la frecuencia mas adecuada en función de los parámetros recibidos de la estación transmisoraydeaquellosotrosque hayan sido medidos "in situ".
  • 58. 56 Todo este proceso exige bien la recepción simultánea en cada una de las frecuencias de referencia dentro de cada bloque, bien un adecuado sincronismo para los cambios de frecuenciasentre las estaciones inicialmente emisora y receptora, o la realización de un algoritmo bien estudiado de manera que facilite el intercambio de datos que permita el sincronismo inicial. Vemos como esta técnica puede suplir las deficiencias de todos los sistemas de predicción anteriormente estudiados, desplazando a los grandes sistemas de antenas con transmisores de gran potencia para realizar los sondeos en favor de sistemas mas pequeños y manejables, donde las posibilidades de cálculo y operación automáticos que poseemos en la actualidad toman un papel preponderante
  • 59. 57 7 LA AUTOMATIZACIÓN DEL ENLACE. Es mucho y a la vez poco lo que podemos expresar sobre enlaces automatizados. Mucho porque muy elevadas son las exigencias que sobre el papel deben cubrir los equipos de conexión automatizada, HF ALE Radios -High Frecuency Automatic Link Establishment Radios- según unas denominaciones, o ALIS -Automatic Link Setup- según otras. Poco porque no es demasiado lo que en la actualidad tenemos realizado . Veamos en primer lugar qué es lo que se le pide a un equipo capaz de establecer comunicaciones fiables y estables por sí mismo, guiándonos para ello de diversos estándares federales [ADA92,BOD85], unos ya existentes y otros solamente propuestos, en los EE.UU. de Norteamérica. - Las señales que constituyen la información a transferir deben de pasar a través del ancho de banda de audio de los equipos actuales de HF en Banda Lateral Única o BLU17 , denominados en los países anglosajones como Single Side Band Radios -SSB Radios-. 17 Límite inferior de 400 Hz y superior de 2600 Hz. Es decir un ancho de banda de paso de 2200 Hz.
  • 60. 58 -Deben poseer modems digitales robustos y de la mayor velocidad que sea posible para proveer transmisiones digitales con llamada selectiva. -Seleccionarán de forma automática el mejor canal, basándose en un proceso de análisis de la calidad del enlace y cuyos datos deberán poder almacenar en su propia memoria. -Es necesario que establezcan las conexiones y las confirmen de manera automática. -Deben de poder transferir datos y órdenes de control, efectuar control de errores, trabajar como circuitos de comunicaciones18 y, si es posible, tener la capacidad de establecerlos de manera automática. -Es conveniente que su diseño sea lo suficientemente abierto como para que sea posible incorporarles todas aquellas nuevas funciones que el proceso de pruebas y desarrollo por el que deben pasar haga necesarias. 18 Networks en la literatura anglosajona.
  • 61. 59 Durante el proceso de establecimiento del enlace, un equipo ALE debe mantener las siguientes condiciones: -Debe estar siempre a la escucha de señales provenientes de otros equipos ALE barriendo las frecuencias que tenga predeterminadas, independientemente de otras funcionesqueestéllevan- do a cabo. -Responderá, salvo orden expresa en contra, a cualquier requerimiento de conexión. -Nunca interferirá en aquellos canales donde se esté llevando a efecto una comunicación ALE. -Intercambiará siempre losanálisis de calidad de los enlaces-LQA19 - cuandosearequerido para ello y medirá la calidad de señal de los posibles corresponsales aunque en ese momento no tenga prevista conexión alguna con ellos. -Responderá con las pautas temporales que se le indique, con el fin de poder atender las distintas modalidades de comunicaciones, en tiempo real, circuitos de comunicaciones, llamadas especiales, etc, que se le soliciten. 19 Del inglés, Link Quality Analysis.
  • 62. 60 -Procurará, salvo instrucción en contra, establecer y mantener laconectividad-posibilidadde establecer un enlace cuando le sea solicitado-, siempre que le sea posible. -Buscará la utilización de todas las potencialidades con los equipos con los que conecte, es decir, optimizará la velocidad de transmisión de datos y minimizará tanto el tiempo utilizado como la potencia radiada durante el intercambio de datos. El análisis de la calidad del enlace o LQA al que nos hemos referido con anterioridad, consiste en la medida automática de la calidad de la señal intercambiada entre las estaciones que forman el enlace, y se basa en la determinación de la relación de errores de bit -BER20 - y el cociente entre los suma de los niveles de la señal más el ruido más la distorsión y la suma de los niveles de ruido más la distorsión -SINAD-. Los datos adquiridos y procesados deben de poderse almacenar en memoria, tomándolos en cuenta a la hora de elegir el mejor canal disponible para realizar la comunicación que se pretende. 20 Bit Error Ratio en los países de habla inglesa. Una de las características mas poderosas de un enlace ALE consiste en la posibilidad de establecer llamadas selectivas. La estación que llama lo hará con su identificación propia y la de la estación llamada. Cuando esta llamada es oída, la estación receptora la reconoce y responde. Luego la
  • 63. 61 estación que llamó originalmente confirma la recepción del reconocimiento y da por establecido el lazo de comunicación, transmitiendo en primer lugar los datos LQA que posee respecto a esa estación y a todas las demás con la que mantiene conectividad. Esta característica la poseen en la actualidad los equipos que trabajan en modo AX25-radiopacket-, en AMTOR o en TOR en modo ARQ o con la última novedadPacktor, que reúne las mejores carac- terísticas de los dos sistemas anteriores. Los actuales equipos presentan la característica de tener en un mismo conjunto los microprocesadores que realizan los cálculos y los equipos de transmisión y recepción encargados de la comunicación. Esto tiene la ventaja de constituir unidades muy compactas, lo cual es en general una ventaja, pero presentan al mismo tiempo el inconveniente de que, al ser equipostotalmentededicadosa un sólo y específico uso, resultan caros para una gran cantidad de aplicaciones no intensivas, ya que la capacidad de cálculo no puede ser dedicada a otras tareas, al tiempo que el número de unidades fabricada es bastante pequeño, con el consiguiente encarecimiento del precio de las mismas. Otro de los inconvenientes de las equipos actualmente en funcionamientoeselhechodequeen realidad todo o casi todo su funcionamiento se reduce a las posibilidades inherentes al RTCE expresa- das anteriormente, junto a la posibilidad de llamada y conexión automática. Si analizamos todo lo expresado a lo largo de este trabajo vemos que se perfila la idea de que la conexión entre una o varias estaciones de HF es una operación que requiere gran pericia, un conocimiento pleno del manejo de los equipos adecuados y recurrir tanto a la experiencia previa, como
  • 64. 62 a los procedimientos de cálculo y pronóstico de frecuencias actualmente existentes, para poder determinar las que son más adecuadas a la distancia entre las estaciones entre las que se pretende comunicar, teniendo en cuenta la hora del día, el día del mes, la época del año, etc, factores determinantes, como ya sabemos, del éxito de la operación. Si añadimos lo escaso del número de personas que en la actualidad posee las cualidades necesarias para todo ello, surge una pregunta: ¿No son éstas las condiciones más idóneas para la utilización de un Sistema Experto?. Veamos algunas definiciones habituales para un Sistema Experto [NEB88]: -Bajo el término Sistema Experto -SE- se entiende un nuevo tipo de software que imita el comportamiento de un experto humano en la solución de un problema. Pueden almacenar conocimientos para un campo determinado -y muy delimitado- solucionando los problemas mediante deducción lógica de conclusiones. -Los SE se utilizan preferentemente en problemas en los que se necesite un procedimiento de resolución basado en el conocimiento,entendiendocomotalesprocedimientosalosquetengan las siguientes capacidades: -Utilización de normas u otras estructuras que contengan conocimientos y experiencia de expertos especializados. -Deducción lógica de conclusiones.
  • 65. 63 -Interpretación de datos ambiguos. -Manipulación de conocimientos vagos, es decir, conocimientos afectados por valores de probabilidad. Una de las particularidades que hacen especialmente interesantes a los sistemas expertos es el que separan los conocimientos-reglas, hechos- del procesamiento de los mismos,porloqueesposible añadir o eliminar información sin cambiar el programa. Un sistema experto se compone en esencia de los siguientes elementos: -La base de conocimientos, que contiene el conocimiento de los hechos y la experiencia de los expertos en un dominio determinado. Contiene todos los hechos, las reglas y los procedimientos del dominio de la aplicación que son importantes para la solución del problema. Podemos pensar en ella [SCH88] como una lista de objetos con sus reglas y atributos listados, definiéndose un objeto como una conclusión que se define por sus reglas asociadasysiendoun atributo una cualidad específica que, junto con su regla, ayuda a definir al objeto. -El motor de inferencia, que puede simular la estrategia de solución de un problema tal y como lo abordaría un experto humano. Es la unidad lógica con la que se extraen conclusiones
  • 66. 64 de la base de conocimientos , según un método fijo de resolución de problemas que está confi- gurado para imitar el procedimiento de los expertos para solucionarlos. Se pueden establecer dos amplias categorías de mecanismos de inferencia donde se podrían encuadrar a la mayor parte de los SE existentes en la actualidad, los de carácter determinista y los de carácter proba- bilístico. -El componente explicativo,cuyautilidadesladeexplicaralusuariolaestrategiadesolución encontrada y el porqué de las decisiones tomadas. Las soluciones descubiertas por los SE deben de poder ser repetibles tanto por el ingeniero de conocimiento en la fase de comproba- ción como por el usuario, siendo deseable que durante el trabajo del sistema se conozca en qué grado de progreso está el procesamiento del problema. Esto es muy difícil de conseguir, no habiendo sido posible hasta ahora cumplir todos los requisitos de un buen componente explica- tivo. -El interfaz de usuario, que hace que éste pueda realizar su consulta al SE en la forma más cercana al lenguaje natural posible. Establece la forma en la que se presenta al usuario, debiendo tener la posibilidad de un aprendizaje rápido de su manejo, evitar dentro de lo posible la introducción de datos erróneos y poder presentar los resultados de una manera clara e inteligible para el usuario. Es estrictamente necesario el que las preguntas, explicaciones y respuestas sean comprensibles.
  • 67. 65 -El componente de adquisición, que ofrece ayuda a la estructuración e incorporación del conocimiento a la base de conocimientos. Debe de tener las siguientes cualidades: -El conocimiento, es decir, las reglas, los hechos, las relaciones, etc, deben de poderse introducir de la forma mas sencilla posible. -Debe permitir una representación clara de todos las informaciones contenidas en la base de conocimientos, junto a una comprobación automática de la sintaxis. -Debe de ofrecer la posibilidad de acceder de manera constante al lenguaje de programación subordinado. La posibilidad de cumplimiento de todos estos requisitos dependerá de una manera directa tanto del lenguaje de programación elegido como del hardware asociado. Visto todo lo anterior, la cuestión es, ¿porqué no confiar la gestión de frecuencias a un SE?. Un SE puede utilizar los datos proporcionados por un programa de predicción de las condiciones de propagación ionosférica a medio y largo plazo, incluir en su base de conocimientos la forma de actuar y operar una estación de HF por un experto en comunicaciones en los modos en los que estemos interesados y puede finalmente controlar de forma directa los parámetros que permitan el
  • 68. 66 funcionamientodeunsistemadeemisión-recepción, para que pueda realizar un análisisentiemporeal- RTCE- del conjunto de frecuencias previamenteelegidas y establecer la comunicación enel canal más adecuado. Este SE se puede realizar mediante un programa escrito en un lenguaje de uso común, tal y como LISP o PROLOG [BEL87] y utilizarse sobre un ordenador tipo PC, con lo cual el paso de ordenes al equipo de transmisión se podría realizar a través del dispositivo de salida serie estándar RS232, siendo recibidas estas órdenes por cualquiera de los equipos transceptores en HF que en la actualidad están dotados de interfaces adecuadas que le permiten recibir ordenes y dar información por esta vía. Las ventajas de una realización de este tipo serían múltiples: -Tantoelordenadorcomoeltransceptorutilizadossonequiposconvencionalesdeusocomúny por consiguiente de bajo precio. -Los lenguajes de programación LISP y PROLOG están ampliamente divulgados y profusamente documentados lo cual facilita su uso en la programación del SE. El uso de un SHELL o núcleo de SE comercial acortaría la fase de desarrollo, pero tendría a su vez el inconveniente de su elevado coste.
  • 69. 67 -El sistema puede ser utilizado como tal en unas determinadas condiciones, y al variar éstas seguimos teniendo disponibles de forma separada las capacidades tanto de cálculo del ordena- dor como las de comunicación del transceptor. -Elpreciofinaldelsistema es necesariamente bajo al utilizarseelementosnoespecíficossinode uso común, lo cual permitiría su empleo en aplicaciones no intensivas que por tanto no justi- ficarían el uso de un sistema integrado de alto coste, o donde el presupuesto tenga prioridad sobre cualquier otro tipo de consideración. Vemos pues como un sistema como el anteriormente descrito podría aunar los mejores medios de que disponemos en la actualidad, el análisis de la propagación ionosférica a medio y largo plazo con la comprobación de la posibilidad de utilización real de las frecuencias predichasjuntoalaautomatiza- ción real de los enlaces.
  • 70. 68 REFERENCIAS. [ADA92] Adair, Robert T. & Dennis Bodson, 1992, "A Family of Federal Standards for HF Radios, QST May 1992, págs. 73-76, American Radio Relay League, Newington, CT, USA. [ARR92] The ARRL Handbook. American Radio Relay League. Newington,Conneticut,USA, 1992. [BEL87] Bell, Doug and Ian Morrey, "Ingeniería del Software aplicada a la Programación". John Pugh. Anaya Editorial. Madrid, 1987. [BOD85] Bodson, Dennis, 1985, "The Federal Telecommunication Standards Program",IEEE Communications Magazine January 1985, págs. 56-62, Piscataway, NJ, USA. [CCI90a] "CCIR Ionospheric Properties", Report 725-3inRecommendationsandReportsofthe CCIR, 1990, Vol. VI (PropagationinIonizedMedia),XVIIthPlenaryAssembly,ITU, Düsseldorf, Alemania.
  • 71. 69 [CCI90b] "CCIR Definitions of Maximum and Minimum Transmission frecuencies", Recommendation 373-6 in Recommendations and Reports of the CCIR, 1990, Vol. VI (Propagation in Ionized Media), XVIIth Plenary Assembly, ITU, Düsseldorf, Alemania. [CCI90c] CCIR HF Propagation Prediction Method. Report 894-2inReportsoftheCCIR, 1990, Vol. VI (Propagation in Ionized Media), XVIIth Plenary Assembly, ITU, Düs- seldorf, Alemania.. Düsseldorf, Alemania, 1990. [CCI90d] CCIR Short-term Forecasting of Critical Frecuencies, OperationalMaximumUsable Frecuencies and Total Electron Contents. Report 888-2inReportsoftheCCIR,1990, Vol. VI (Propagation in Ionized Media), XVIIth Plenary Assembly, ITU, Düsseldorf, Alemania.Düsseldorf, Alemania, 1990. [CCI90e] CCIR Real-time Evaluation of HF Ionospheric Radio Circuits. Report 889-2 in Reports of the CCIR, 1990, Vol. VI (Propagation in Ionized Media), XVIIth Plenary Assembly, ITU, Düsseldorf, Alemania. Düsseldorf, Alemania, 1990. [CCI90f] CCIR Short-Term Forecasting of Critical Frecuencies, Operational Maximum Usable Frecuencies andTotal Electron Contents. Report 888-2inReportsoftheCCIR,1990, Vol. VI (Propagation in Ionized Media), XVIIth Plenary Assembly,ITU,Düsseldorf, Alemania.
  • 72. 70 [GOO92] Goodman, John M. "HF Communications Science and Technology". Van Nostrand Reinhold. New York, USA, 1992. [DAV66] Davies, K. , 1966, "Ionospheric Radio Propagación", Dover Publications, New York, USA. [HEL91] Helfert, H.P. & U. Strate. Pactor, Radioteletype with memory ARQ and Data Compression. QEX, October 1991. Pags. 3-6. American Radio Relay League. Ne- wington, Conneticut, USA, 1992. [HEN92] Henry, Bill. Getting Started in Digital Communications. ARRL QST, June 1992. PAGS. 34- . American Radio Relay League. Newington, Conneticut, USA, 1992. [MAS87] Maslim, Nicholas, 1987, "HF Communications, A Systems Approach", Pitman, London, UK. [NEB88] Nebendahl, Dieter. "Sistemas Expertos. Introducción a la Técnica y Aplicación". Marcombo S.A. Barcelona, 1988.
  • 73. 71 [SAL92] Salerno, Dennis P. & Thomas F. Washer II, "Desert Storm: Air Assault Communications", IEEE Communications Magazine January 1992, págs. 36-41, Piscataway, NJ, USA. [SCH88] Schildt, Herbert. "Turbo Prolog, Programación Avanzada". Osborne/McGraw-Hill. Madrid, 1988. [WAL92] Wallace, Michael A, "HF Radio in Southwest Asia", IEEE Communications Magazine January 1992, págs. 58-61, Piscataway, NJ, USA. [WAT70] Watterson, C.C. "Experimental Confirmation of an HF Channel Model".IEEE Trans. Comm. Tech. COM-18,1970. Piscataway, NJ, USA.
  • 75. 73