El siguiente trabajo es una descripción del efecto que produce el Corrimiento Doppler en la transmisión y recepción de las señales en los diferentes canales de comunicaciones de los sistemas inalámbricos. Para ello analizaremos el Corrimiento Doppler, como se inicia y el porque se produce, los diversos inconvenientes que producen en un sistema inalámbrico con base terrestre y cuales son las frecuencias mas afectadas por dicho corrimiento, que no es mas que un cambio de frecuencia de la señal recibida con respecto a la señal transmitida, cuando uno de los receptores , ya sea el transmisor o el receptor se encuentra en movimiento.
Palabras Claves: Corrimiento Doppler, Frecuencia, Transmisión, Recepción
The present paper intends to describe the Doppler Shift on transmission and reception signal for different wireless communication systems. The Doppler Effect can be explained as a relative shift between the received and transmitted signal frequency, whenever the receiver or the transmitter are in relative motion. In order to achieve the objective of this paper, the Doppler Shift is analyzed in terms of how and why the Doppler Effect occurs, what are the most affected frequencies and which are the most important problems that it causes on land based wireless communication systems.
Key Works: Doppler Shift, Frequencies, Transmission , Reception
Hoy en día los Sistemas Inalámbricos han experimentado diversos cambios , buscando siempre la mayor flexibilidad y calidad en sus servicios, en lo que se refiere a cobertura y distancia, estos cambios han traído consigo diferentes infraestructuras tecnológicas, minimizando posibles inconvenientes que se pueden tener en el instante de tiempo que se transmite o recibe las diferentes señales generadas por dichos sistemas. Sin embargo, existen inconvenientes producto de los movimientos que se llevan a cabo en los receptores, ya sea el que transmite la señal o el que la recibe, los cuales no se pueden eliminar tecnológicamente y son producto de la propagación de la señal en el canal de transmisión.
Este tipo de problemas se presentan a menudo en los Sistemas Inalámbricos y si bien para algunos sistemas es beneficioso ( Radar ) para otros no , como es el caso de la Radio.
La Propagación de la Radio se caracteriza por tres de estos efectos, conocidos como:
Multipath Fading es descrito por:
En 1842 un científico (Matemático y Físico) llamado Christian Doppler (1803 - 1853) descubrió el Corrimiento Doppler notando que las ondas de luz, sonido y otras formas de propagación de energía tenían un factor de desplazamiento captado por el observador en movimiento, determinado por:
Donde:
V :es la velocidad con la cual el transmisor se aleja o acerca a la fuente
C: es la velocidad con la que se propaga la onda.
El Corrimiento Doppler es definido como el ancho espectral de la portadora recibida cuando una simple portadora sinosoidal es transmitida dentro de un canal de multiples trayectorias. Es decir, cuando un transmisor o un receptor está en movimiento , la frecuencia de la portadora recibida presenta variaciones con respecto a la frecuencia de la portadora que se transmitió, produciendo de esta manera la pérdida parcial por instantes de tiempo o completa de la señal que fue transmitida. Si la distancia entre el transmisor y el receptor aumenta , la frecuencia disminuye, cuando la frecuencia aumenta la distancia entre el transmisor y el receptor disminuye .
El efecto de la Propagación de la onda será:
|
El máximo Corrimiento Doppler ocurre para una onda que viene desde de una dirección opuesta a la dirección de la antena en movimiento. Es decir, el Corrimiento Doppler esta determinado por:
fm= 
Donde :
El signo de la expresión indica si el desplazamiento se acerca o aleja del transmisor fijo.
fc: Es la frecuencia de la portadora .
C: es la velocidad de la luz.
V: es la velocidad del objeto en movimiento.
Tales movimientos en dirección a la antena producen ondas reflejadas individualmente con desplazamientos de fase ( variaciones de tiempo ). Esto origina dificultad en la recepción , que se deben de compensar . Para poder lograr esto, lo ideal sería recibir distintas ondas con diferentes desplazamientos, de manera tal que los cambios relativos de fase se produzcan constantemente, afectando la amplitud de la señal resultante. El Corrimiento Doppler determina las variaciones de amplitudes de la señal resultante.
Al receptor llegan diferentes ondas con sus propios desplazamientos de fase, por lo tanto cada una con su propio Corrimiento Doppler, con distribuciones no uniformes ( 0, 2pi ), independientemente de las otras ondas de llegada. Esto se puede calcular a través de una función de Densidad Probabilística de las ondas que llegan , por lo que podremos obtener la distribución espectral Doppler de la señal recibida.
La función de densidad para el cálculo de la Potencia del espectro para una dispersión isotópica es :
S(t) = 
Gráficamente la distribución Espectral del Corrimiento Doppler se define por una Parábola:
El rango (fc - fm, fc + fm ) define el Esparcimiento Doppler. Una manera clara de ver este efecto es observar un Sistema de Telefonía Celular.
La Telefonía Celular corrige muchos de los problemas de los servicios de telefonía móvil de dos direcciones tradicionales y crea un ambiente totalmente nuevo para el servicio telefónico normal de líneas inalámbricas.
Basada en el concepto de "reuso de frecuencias" incrementa la capacidad de un canal de telefonía móvil, es decir, el mismo conjunto de frecuencias ( canales ) se pueden asignar a mas de una célula, siempre y cuando las células estén a una cierta distancia de separación, permitiendo así que un gran número de usuarios compartan un número limitado de canales de uso común, dicho sistema trabaja en un rango de frecuencia de 800 a 900 MHz. y es uno de los sistemas inalámbricos que se ve mas afectados por el Corrimiento Doppler . Si la comparamos con la banda FM que posee las frecuencias comprendidas entre 87 - 107 MHz. nos daremos cuenta que el Corrimiento Doppler es mayor en las bandas de frecuencias altas, es decir, a mayor frecuencia y mayor velocidad , se posee un mayor Corrimiento Doppler.
Para una velocidad fija de 3 Km/h y las bandas respectivas de frecuencias compararemos el Corrimiento Doppler para sistemas FM y Telefonía Celular:
FRECUENCIAS MHz. | CORRIMIENTO DOPPLER | |
FM | 87 | 8,7E+10 |
TELEFONIA CELULAR | 800 | 8E+11 |
Gráficamente:
Como podemos apreciar tanto en la tabla como en la gráfica los sistemas inalámbricos que trabajan en las frecuencias altas, son las que se ven mas afectados por el Corrimiento Doppler, sin embargo la tecnología de sistemas inalámbricos encierra dos grandes grupos o categorías de sistemas, los sistemas con base terrestre y los de base satelital en estos la transmisión es unidireccional y mas específico el Radar se beneficia con el Corrimiento Doppler que afecta a la observación realizada cuando existe movimiento relativo entre objeto y sensor, se registran los pulsos de un mismo punto de la superficie terrestre en dos momentos distintos de la trayectoria , con lo que la resolución es equivalente a la que se obtendría con una antena de similar longitud a la distancia existente entre ambos puntos, caso contrario a los sistemas de base terrestre como lo es la Telefonía Celular que se ve seriamente afectados por dicho corrimiento.
l Corrimiento Doppler en los sistemas inalámbricos, como la radio, no es mas que la pérdida parcial o completa de la señal que ha sido transmitida, debido al movimiento de uno de los puntos involucrados en la transmisión. Esto implica un cambio de frecuencia en la portadora que fue recibida con respecto a la frecuencia de la portadora que fue transmitida.
En las comunicaciones el Corrimiento Doppler representa parte importante para los sistemas inalámbricos ya que constituye la pérdida parcial o completa de la onda portadora en un tiempo determinado.
El Corrimiento Doppler no afecta a todos los sistemas por igual puesto que, los sistemas que trabajan en las bandas de frecuencias altas son mas susceptibles a estos cambios de frecuencias que ocurren en la señal transmitida, al igual que las transmisiones que se llevan a cabo a altas velocidades, es decir , el Corrimiento Doppler es directamente proporcional a las frecuencias y las velocidades con las cuales se realiza la comunicación. Sin embargo, no en todos los sistemas inalámbricos se puede decir que el Corrimiento Doppler es perjudicial , ya que existen sistemas que se ven beneficiados por dicho corrimiento de frecuencias.
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Ing. Lilliam Chacón
Nacida en Caracas - Venezuela, 1973
Areas de Trabajo:
Sistemas de Información Geográfica
Posicionamiento Satelital GPS.
