1、 Rec. UIT-R P.1622 1 RECOMENDACIN UIT-R P.1622 Mtodos de prediccin requeridos para el diseo de sistemas Tierra-espacio que funcionan entre 20 THz y 375 THz (Cuestin UIT-R 228/3) (2003) La Asamblea de Radiocomunicaciones de la UIT, considerando a) que el espectro comprendido entre 20 THz y 375 THz es
2、 adecuado para ciertas comuni-caciones espaciales en el espacio cercano y en el lejano; b) que para planificar correctamente los sistemas Tierra-espacio que funcionan entre 20 THz y 375 THz es necesario disponer de tcnicas de prediccin de la propagacin adecuadas; c) que se han elaborado mtodos para
3、predecir los efectos ms importantes de la propagacin sobre los sistemas Tierra-espacio que funcionan en la banda comprendida entre 20 THz y 375 THz; d) que estos mtodos se han contrastado, en la medida de lo posible, con los datos disponibles y han demostrado tener una precisin compatible con la var
4、iabilidad natural de los fenmenos de propagacin, y adecuada para la mayora de las aplicaciones actuales en la planificacin de los sistemas que funcionan entre 20 THz y 375 THz, reconociendo a) que el nmero 78 del Artculo 12 de la Constitucin de la UIT estipula que uno de los cometidos del Sector de
5、Radiocomunicaciones es . realizar, sin limitacin de gamas de frecuencias, estudios que sirvan de base para la adopcin de las Recomendaciones ., recomienda 1 que en la planificacin de los sistemas Tierra-espacio se utilicen los mtodos que figuran en los Anexos 1 y 2 para la prediccin de los efectos d
6、e la propagacin sobre dichos sistemas, de acuerdo con los correspondientes lmites de validez all indicados. NOTA 1 En la Recomendacin UIT-R P.1621 figura ms informacin sobre datos fundamentales de la propagacin para frecuencias comprendidas entre 20 THz y 375 THz. Anexo 1 1 Introduccin La atmsfera d
7、e la Tierra es compleja y dinmica, y afectar al funcionamiento de los sistemas que funcionen en la gama de frecuencias de 20 THz a 375 THz entre la Tierra y un vehculo espacial en rbita. Los efectos sobre los sistemas son, entre otros: la atenuacin total de la amplitud de la seal, debida a la absorc
8、in por las molculas de gases atmosfricos que se encuentran en el trayecto de propagacin; 2 Rec. UIT-R P.1622 la atenuacin total de la amplitud de la seal y el aumento del ruido de fondo, como consecuencia de la dispersin producida por partculas de tamao comprendido entre una fraccin de longitud de o
9、nda y muchas longitudes de onda, que se encuentran en el trayecto de propagacin; las fluctuaciones de amplitud y fase de la seal recibida, debidas a las turbulencias causadas por las variaciones trmicas de la atmsfera. En los puntos siguientes de este Anexo se ofrecen las tcnicas y ecuaciones repres
10、entativas necesarias para elaborar los mtodos de prediccin necesarios. 2 Atenuacin debida a la absorcin Para calcular la absorcin atmosfrica se puede utilizar un mtodo de raya por raya similar al que se describe en la Recomendacin UIT-R P.676. Sin embargo, este mtodo es engorroso y requiere un gran
11、nmero de clculos, ya que hay miles de rayas en la gama de frecuencias comprendida entre 10 THz y 1 000 THz (entre 30 m y 0,3 m). Los astrnomos determinan las ventanas de absorcin atmosfrica dbil mediante filtros normalizados, segn se describe en el Cuadro 1. Las frecuencias centrales de estos filtro
12、s sirven para calcular las regiones del espectro que se pueden utilizar para la comunicacin por trayectos Tierra-espacio, teniendo en cuenta nicamente las caractersticas de la absorcin de la atmsfera. Dado que la absorcin depende en parte de la temperatura, de la presin y de la composicin qumica loc
13、ales de la atmsfera, la anchura de banda de los filtros no corresponde necesariamente con la anchura de banda de las regiones de absorcin atmosfrica dbil. Las cuatro bandas de frecuencias ms altas representan un continuum del espectro visible y ultravioleta con absorcin atmosfrica relativamente redu
14、cida, en lugar de regiones distintas de absorcin dbil. Siempre que sea posible, antes de instalar una estacin terrena se medir la absorcin atmosfrica. CUADRO 1 Filtros astronmicos normalizados para frecuencias superiores a 15 THz Filtro Q N M L L K H Frecuencia central (THz) 15 30 63 79 86 136 180 L
15、ongitud de onda (m) 20,25 10,1 4,80 3,80 3,50 2,20 1,65 Anchura de banda (THz) (m) 15,2 6,50 18,2 5,70 15,9 1,20 14,7 0,70 17,3 0,70 30,1 0,48 33,3 0,30 Filtro J IJISR V B U Frecuencia central (THz) 240 330 370 430 560 700 830 Longitud de onda (m) 1,25 0,90 0,80 0,70 0,54 0,43 0,36 Anchura de banda
16、(THz) (m) 74,7 0,38 90,5 0,24 115,10,24 138,10,22 93,2 0,09 164,5 0,10 163,60,07 Rec. UIT-R P.1622 3 3 Atenuacin debida a la dispersin La dispersin se define generalmente como la desviacin de energa producida por las partculas que se encuentran en el trayecto de propagacin. Los principales efectos s
17、obre los sistemas de comunicacin en el espacio libre que utilizan frecuencias comprendidas entre 20 THz y 375 THz son debidos a: partculas de dimetro aproximadamente igual a la longitud de onda de la seal transmitida, que se encuentran en el trayecto de propagacin y desvan parte de la energa transmi
18、tida de su trayecto original; partculas de dimetro muy inferior a la longitud de onda transmitida, que se encuentran en el medio de propagacin y desvan hacia el receptor energa ajena a la seal transmitida. 3.1 Atenuacin de la seal transmitida debida a la dispersin Mie La dispersin Mie es la fuente p
19、redominante de atenuacin en frecuencias inferiores a 375 THz, y es debida principalmente a la presencia de partculas microscpicas de agua. Cuando no se dispone de mediciones de las caractersticas atmosfricas, se puede utilizar el mtodo para calcular la atenuacin debida a la dispersin en trayectos Ti
20、erra-espacio que se describe a continuacin. Si se dispone de esas medidas, se puede utilizar el mtodo de clculo que se describe detalladamente en el Anexo 2. El mtodo es adecuado para estaciones terrenas situadas entre 0 y 5 km de altura sobre el nivel del mar con funcionamiento en frecuencias compr
21、endidas entre 150 y 375 THz, que son las frecuencias ms utilizadas para las telecomunicaciones en el espacio libre. El mtodo tiene una precisin de aproximadamente 0,1 dB para ngulos de elevacin superiores a 45. Sin embargo es posible que las condiciones atmosfricas locales puedan dar lugar a variaci
22、ones de varios dB. Es preciso conocer los siguientes parmetros: : longitud de onda (m) hE: altura de la estacin terrena sobre el nivel medio del mar (km) : ngulo de elevacin. Paso 1: Clculo de los coeficientes empricos en funcin de la longitud de onda: 0038,0002,0000545,02+=a (1a) 0439,00232,000628,
23、02+=b (1b) 18,0101,0028,02+=c (1c) 719,026,1922,0228,023+=d (1d) Paso 2: Clculo del ndice de extincin, , de hEa : 123kmdhchbhaEEE+= (2) Paso 3: Clculo de la atenuacin atmosfrica debida a la dispersin, AS, en el trayecto: )sen(3429,4=SA dB (3) 4 Rec. UIT-R P.1622 3.2 Aumento del ruido de fondo debido
24、 a la dispersin de Rayleigh de la energa solar La dispersin de Rayleigh es insignificante para los sistemas que utilizan frecuencias por debajo de 375 THz. Por encima de esta frecuencia, el efecto ms importante de la dispersin de Rayleigh es la introduccin de ruido de fondo en los receptores. El rui
25、do de fondo aparece en ambos sentidos, Tierra-espacio y espacio-Tierra. La principal fuente de ruido en las estaciones terrenas que utilizan vehculos espaciales es la dispersin de Rayleigh de la luz solar durante el da. Los vehculos espaciales que apuntan hacia la Tierra tambin recibirn ruido proced
26、ente de la dispersin de la luz solar en la superficie de la Tierra. 4 Efectos de las turbulencias sobre los sistemas que utilizan frecuencias comprendidas entre 20 THz y 375 THz Segn se describe en la Recomendacin UIT-R P.1621, las turbulencias se miden en trminos del perfil de 2nC . Los efectos de
27、las turbulencias pueden clasificarse en: centelleo de amplitud debido a la redistribucin de energa en el haz; cambio aparente en el ngulo de llegada de la seal entrante; fluctuacin lenta del haz que causa que el centroide del haz se desve del eje de propagacin; ensanchamiento del haz debido a la ref
28、raccin desigual a lo largo del frente de onda que da lugar a una disminucin de potencia en el plano de la abertura de la antena receptora. 4.1 Centelleo de amplitud Las turbulencias a frecuencias comprendidas entre 150 THz y 375 THz provocan fluctuaciones de distribucin gaussiana en la irradiancia l
29、ogartmica, N, de la onda entrante, efecto conocido como centelleo, redistribuyendo espacialmente de manera aleatoria en el tiempo su potencia a lo largo de la superficie del frente de onda. La intensidad del centelleo se mide mediante la varianza de la amplitud del haz. Para calcular la intensidad d
30、el centelleo se necesitan los parmetros siguientes: h0: altura de la estacin terrena sobre el nivel del suelo (m) : longitud de onda : ngulo de elevacin Z : altura real de las turbulencias (normalmente 20 000 m). Tradicionalmente, el centelleo se expresa en funcin de la varianza, 2, de ln(N ): =ZhnN
31、hhhCk026/526/116/72lnNpd)(sec253,2 (4a) siendo: k : nmero de onda (= 2/) : longitud de onda (m) : ngulo cenital h : altura sobre el nivel del suelo (m). Rec. UIT-R P.1622 5 O lo que es lo mismo: 26/116/76/50282lnNpsend)()(10924,10=ZhnNhhhhC(4b) donde la longitud de onda, , se expresa en m y los otro
32、s parmetros como anteriormente. Si se desea, es muy fcil convertir a dBN de fluctuacin, multiplicando el coeficiente del numerador por la relacin de cambio de base y un factor 10, obtenindose as: 26/116/76/50292ln22dBdBsend)()(10622,3)10ln(100=ZhnNNhhhhC(4c) Si no se dispone de mediciones locales de
33、 ,2nC se puede utilizar el perfil de ),(2hCndescrito en el 5.1.1 de la Recomendacin UIT-R P.1621. En el Cuadro 2 se muestran ejemplos para algunas frecuencias de la regin espectral comprendida entre 10 THz y 1 000 THz (30 m y 0,3 m). Los valores de 2lnN y ,2dBN para cada frecuencia se han calculado
34、suponiendo que la estructura de la turbulencia es la descrita en el 5.1.1 de la Recomendacin UIT-R P.1621, que el tamao de la apertura es menor que la longitud de coherencia atmosfrica, r0, que el ngulo de elevacin es de 75, que la antena de la estacin terrena est situada a 5,5 m sobre el suelo y qu
35、e el valor eficaz de la velocidad del viento en el trayecto vertical, vrms, son de 21 m/s y 30 m/s. CUADRO 2 Ejemplo de estadsticas de centelleo 4.1.1 Centelleo de amplitud en los trayectos Tierra-espacio La varianza de la irradiancia logartmica en los trayectos Tierra-espacio 2sE es la misma (4). S
36、e ha comprobado experimentalmente que la probabilidad de que se supere este lmite es muy baja. Normalmente el valor de 2lnN se reduce en dos rdenes de magnitud cuando la frecuencia aumenta de 24 THz a 750 THz (12,5 m a 0,4 m). Por lo general, el efecto de promediado debido a la apertura de la antena
37、 no se tiene en cuenta en los trayectos Tierra-espacio. Los frentes de onda que salen de la atmsfera experimentan la misma redistribucin espacial de la energa en su superficie que en el sentido espacio-Tierra. Sin embargo, la difraccin del frente de onda, al propagarse por el espacio, hace que se ex
38、tiendan las 2lnN2dBN2lnN2dBNFrecuencia (THz) Longitud de onda (m) (vrms= 21 m/s) (vrms= 30 m/s) 563,9 0,532 0,23 4,41 0,36 6,88 352,9 0,850 0,14 2,58 0,21 3,98 282,0 1,064 0,10 1,93 0,16 3,12 193,5 1,55 0,07 1,29 0,10 1,93 6 Rec. UIT-R P.1622 perturbaciones de amplitud y fase a travs de zonas extens
39、as. As pues, el radio de coherencia de fase en la apertura de la antena receptora de un vehculo espacial es mucho mayor que el tamao probable de esta apertura ( 1 m). Por consiguiente, no se produce un promediado de la apertura y el centelleo en el receptor viene dado por la expresin: 22ln2NpNsE=(5)
40、 A 150 THz (2,0 m) y con un valor 2lnN prximo a 0,15, se producen desvanecimientos de 4 dB cada 1% del tiempo aproximadamente, con una frecuencia y una duracin de unos 150 Hz y 105s. 4.1.2 Centelleo de amplitud en los trayectos espacio-Tierra El impacto del centelleo en los trayectos espacio-Tierra
41、puede limitar gravemente el funcionamiento de los receptores. Si la apertura del receptor es mayor que la longitud de coherencia atmosfrica, r0, el efecto del centello se promedia espacialmente a lo largo de la apertura, lo que da lugar a una reduccin de 2lnN . Aunque la promediacin de la apertura p
42、uede reducir los efectos del centelleo de amplitud, la distorsin de fase puede degradar considerablemente el funcionamiento de los sistemas receptores pticos de modo espacial nico, tales como el de deteccin coherente o el de deteccin directa preamplificada. El valor de 2lnN en los trayectos espacio-
43、Tierra, 2Esqueda modificado por un factor de promediado de la apertura, A. Dicho factor se define como la razn entre la varianza de la irradiancia logartmica obtenida a partir de una apertura receptora de tamao finito y el valor correspondiente obtenido a partir de una apertura puntual, calculndose
44、de la siguiente manera: Paso 1: Clculo de la altura de escala de la turbulencia, z0: md)(d)(7/66/5222000=ZhnZhnhhhChhhCz (6) siendo: h0: altura de la estacin terrena sobre el nivel del suelo (m) h : altura sobre el nivel del suelo (m) Z : altura real de las turbulencias sobre el nivel del suelo (nor
45、malmente 20 000 m). Paso 2: Clculo del factor de promediacin de la apertura, A: 6/7027sen101,111+=zDA (7) siendo: D : dimetro de la apertura de la estacin terrena (m) : ngulo de elevacin : longitud de onda (m). Rec. UIT-R P.1622 7 Paso 3: Clculo de la varianza de la irradiancia logartmica en el tray
46、ecto espacio-Tierra, 2Es: 22ln2NpNEsA=(8) 4.2 ngulo de llegada Las fluctuaciones producidas por las turbulencias en el ngulo aparente de llegada del haz recibido se deben a las variaciones de los ndices de refraccin en las bolsas de aire que se encuentran en el trayecto de propagacin. Los efectos de
47、 estas fluctuaciones son despreciables en el sentido Tierra-espacio. El valor eficaz del ngulo de incidencia es normalmente del orden de 1 rad y por lo tanto tiene muy poco efecto. Sin embargo, en el sentido espacio-Tierra este valor eficaz es del orden de varios rad y debe tenerse en cuenta. El mto
48、do que se describe a continuacin puede utilizarse para calcular la varianza del ngulo de incidencia, 2 , en los trayectos espacio-Tierra a travs de un determinado perfil de turbulencia, 2nC , para ngulos de elevacin superiores a 45. Es preciso conocer los siguientes parmetros: h0: altura de la estacin terrena sobre el nivel del suelo (m) : ngulo de elevacin DR: dimetro de la apertura del receptor (m) Z : altura real de las turbulencias (normalmente 20 000
