Universidad Pública de Navarra - Nafarroako Univertsitate Publikoa

Módulo/Materia

Módulo: Formación común

Materia: Fundamentos de sistemas de comunicación

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Descripción/Contenidos

El objetivo de esta asignatura es proporcionar a los estudiantes una visión panorámica de la propagación y radiación de ondas electromagnéticas y acústicas en medios guiados y no guiados, dando algunas directrices al respecto de sus diferentes tipos de emisores y receptores.

Se pretende dar una visión básica y general del fenómeno de radiación electromagnética, definiendo por una parte los parámetros básicos que se utilizan para especificar dicha radiación y presentando por otra los tipos de antenas más comúnmente utilizados. Se introducen también los modelos físicos de propagación de las ondas electromagnéticas en los distintos entornos en que tiene lugar la comunicación por ondas de radio. Además, se definirán los modelos de líneas de transmisión y guías de onda que son de tanta importancia para la transmisión de información. Se definirá la ecuación de transmisión que permita al estudiante ser capaz de calcular un balance de potencias de un enlace de comunicaciones entre dos puntos.

Por último, se definirán los conceptos básicos de emisores y receptores de audio, así como sus propiedades y características fundamentales.

De forma muy esquemática se podrían apuntar los siguientes contenidos:

•  Líneas de transmisión y guías de onda; sus parámetros fundamentales y su significado físico.

•  Fundamentos básicos de la radiación electromagnética y acústica.

•  Parámetros fundamentales de antenas: propiedades, características, valores típicos, prestaciones, etc.

•  Propagación electromagnética: tipos de propagación: reflexión, refracción, difracción; características fundamentales y efectos atmosféricos.

•  Diseño de enlaces sencillos de comunicaciones entre dos puntos.

•  Conceptos básicos de emisores y receptores acústicos. Propiedades fundamentales y características típicas.

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Descriptores

Ondas electromagnéticas y acústicas. Transmisión de ondas guiada y no guiada. Emisión y recepción de ondas.

Área de teoría de la señal y comunicaciones. Área de física aplicada.

Prerrequisitos: para que se pueda cursar la asignatura con aprovechamiento es necesario que el estudiante haya cursado antes: “Física”, “Señales y Sistemas I”, “Matemáticas II”, todas ellas del primer curso de este grado.

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Competencias genéricas

Las competencias genéricas que un alumno debería adquirir en esta asignatura son:

G2. Trabajo en equipo

G3. Aprendizaje autónomo

G4. Eficiencia en la comunicación oral y escrita con capacitación lingüística en inglés

G5. Eficiencia en el manejo de recursos de información

G7. Capacidad para  concebir, diseñar, implementar y operar sistemas y servicios en el ámbito de las TIC

CB1. Que los estudiantes hayan demostrado poseer y comprender conocimientos en un área de estudio que parte de la base de la educación secundaria general, y se suele encontrar a un nivel que, si bien se apoya en libros de texto avanzados, incluye también algunos aspectos que implican conocimientos procedentes de la vanguardia de su campo de estudio

CB2. Que los estudiantes sepan aplicar sus conocimientos a su trabajo o vocación de una forma profesional y posean las competencias que suelen demostrarse por medio de la elaboración y defensa de argumentos y la resolución de problemas dentro de su área de estudio

CB5. Que los estudiantes hayan desarrollado aquellas habilidades de aprendizaje necesarias para emprender estudios posteriores con un alto grado de autonomía

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Competencias específicas

Las competencias específicas que un alumno debería adquirir en esta asignatura son:

2.8. Capacidad para comprender los mecanismos de propagación y transmisión de ondas electromagnéticas y acústicas, y sus correspondientes dispositivos emisores y receptores.

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Resultados aprendizaje

Cuando termina la formación el estudiante es capaz de:

R1. Comprender la teoría básica de líneas de transmisión y guías de onda: sus propiedades y sus parámetros fundamentales.

R2. Comprender el mecanismo de radiación electromagnética y acústica y las ecuaciones que los gobiernan.

R3. Reconocer los tipos de antenas más comúnmente utilizados y sus principales características.

R4. Calcular el diagrama de radiación de distribuciones de corriente sencillas.

R5. Hacer uso de la relación entre las propiedades de radiación de una antena y las de la Transformada de Fourier para obtener las propiedades de radiación de antenas.

R6. Comprender los mecanismos de propagación de ondas electromagnéticas y acústicas y los fenómenos asociados: reflexión, absorción, refracción y difracción.

R7. Comprender los efectos atmosféricos a tener en cuenta en el análisis de un sistema de radiocomunicación. 

R8. Calcular el balance de potencia de un sistema de comunicaciones.

R9. Identificar las soluciones más sencillas de ondas acústicas planas y esféricas, identificando y conociendo las relaciones entre las variables: desplazamiento, velocidad, presión, impedancia, etc.

R10. Interpretar las principales características de los dispositivos acústicos emisores y receptores.

R11. Conocer los mecanismos básicos de la audición.

R12. Aplicar los principios básicos de sistemas de comunicaciones a la resolución de problemas propios de la ingeniería.

R13. Realizar presentaciones orales y redactar textos y documentos de forma clara y estructurada, con un estilo adecuado al oyente o lector y con corrección ortográfica y gramatical.

R14. Utilizar de forma autónoma las herramientas, instrumentos y aplicativos software disponibles en los laboratorios de las materias básicas y avanzadas. Conocer su funcionamiento y sus limitaciones.

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Metodología

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Idiomas

El idioma de impartición de las clases será el castellano. Los idiomas de la documentación y bibliografía serán castellano e inglés.

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Evaluación

 La nota final de la asignatura se obtiene aplicando la siguiente ponderación:

20% : Memorias de prácticas realizadas en grupo y trabajos e informes

32% : Examen parcial de teoría, problemas y tipo test

48% : Examen final de teoría y problemas

Para poder sumar la nota de prácticas y trabajos se exige alcanzar entre el examen parcial y el examen final una nota de al menos el 40% (dado que ambos exámenes suman el 80%, este requisito es equivalente a exigir que la media ponderada de ambos exámenes sea de aprobado, 5).

La evaluación de recuperación se realizará mediante un nuevo examen de teoría, problemas y tipo test, que permitirá recuperar el 80% de la nota de la asignatura (el 20% correspondiente a prácticas y trabajos no es recuperable y mantendrá la calificación ya obtenida).

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Temario

Parte A: Ondas acústicas

Tema 1. La ecuación de onda acústica en tres dimensiones

1.1 La ecuación de estado

1.2 La ecuación de continuidad

1.3 La ecuación de Euler

1.4 La ecuación de onda linealizada

1.5 Velocidad de propagación

Tema 2. Soluciones simples de la ecuación de onda

2.1 Ondas planas

2.2 Ondas esféricas

2.3 Impedancia acústica

2.4 Densidad de energía e intensidad acústica

Tema 3. Sonido y audición. Medida del sonido: dB y dBA.

3.1 Características de la audición humana

3.2 Sonido y niveles sonoros. NPS, NIS, NWS.

3.3 Análisis en bandas de octava y tercio de octava.

3.4 Redes de ponderación. dBA. dBC.

3.5 Análisis temporal. L_eq. L_N.

Tema 4. Reflexión, transmisión, difracción y absorción de ondas acústicas.

4.1 Reflexión y transmisión en cambio de medios.

4.2 Reflexión y transmisión por interposición de un tercer medio.

4.3 Pérdida por transmisión. Índices de aislamiento. Legislación y normativa.

4.4 Difracción de ondas acústicas.

4.5 Absorción de ondas acústicas.

Tema 5. Radiación de ondas acústicas.

5.1 Fuente puntual esférica. Fuerza de radiación.

5.2 Altavoces lineales y de pistón.

5.3 Eficiencia, nivel de fuente, patrón de emisión y directividad de fuentes acústicas.

Práctica 1. Medida del sonido. Análisis espectral y temporal. Medida del Tr. Ondas estacionarias.

Práctica 2. Transmisión de ondas. Medida normalizada del aislamiento acústico.

Parte B: Ondas electromagnéticas

Tema 0. Introducción

Espectro electromagnético.

Particularidades y aplicaciones de las distintas zonas del espectro E.M.

Tema 1. Ondas en líneas de transmisión

1.1. Líneas de transmisión. Estudio en el dominio del tiempo.

Estudio mediante voltaje y corriente. Ecuaciones del telegrafista. Velocidad de propagación. Impedancia característica. Coeficientes de reflexión y transmisión.

1.2. Estudio en el dominio de la frecuencia. Régimen permanente sinusoidal.

Fasores en régimen permanente. Constante de fase. Velocidad de fase. Longitud de onda. Impedancia de entrada de la línea de transmisión. Coeficiente de reflexión a lo largo de la línea de transmisión. Ondas estacionarias. Relación de onda estacionaria.

1.3. Adaptación de impedancias.

Potencia media transportada. Transformador l/4. Carta de Smith. Redes de adaptación con un stub.

1.4. Modelo generalizado de línea de transmisión. Líneas con pérdidas.

1.5. Velocidad de propagación de una onda. Velocidad de fase. Velocidad de grupo. Dispersión.

Tema 2. Ondas electromagnéticas planas

2.1. Revisión de las ecuaciones de Maxwell.

Variables fundamentales. Dieléctricos. Materiales magnéticos. Conductores.

Ecuaciones de Maxwell en forma integral y diferencial.

2.2. Ondas electromagnéticas planas en dieléctricos ideales.

Estudio en el dominio del tiempo. Velocidad de propagación de la onda.

Régimen permanente sinusoidal. Fasores. Número de onda. Longitud de onda. Velocidad de fase. Impedancia intrínseca del medio. Densidad de potencia transportada por la onda. Polarización de la onda: lineal, circular, elíptica.

2.3. Cambios de medio.

2.3.1. Condiciones de contorno en la interfaz entre dos medios.

2.3.2. Incidencia normal sobre conductores perfectos.

2.3.3. Incidencia normal sobre dieléctricos.

2.3.4. Incidencia oblicua sobre conductores perfectos.

2.3.5. Incidencia oblicua sobre dieléctricos.

Leyes de Snell. Ecuaciones de Fresnel. Ángulo de Brewster. Reflexión total sobre dieléctricos.

Tema 3. Guías de onda

3.1. Estructuras para el guiado de ondas electromagnéticas. Guías de onda metálicas y dieléctricas.

3.2. Ondas guiadas y modos. Propiedades y tipos.

Base ortogonal. Modos TEM, TE, TM e híbridos.

3.3. Modos TEM.

Voltaje y corriente en modos TEM. Estudio como línea de transmisión. Velocidad de propagación. Constante de fase. Impedancia de onda.

3.4. Modos TE y TM.

Estudio en la guía de planos conductores paralelos.

Ángulo de Brillouin del modo. Comportamiento paso alto. Frecuencia de corte. Regiones de propagación y atenuación. Constante de fase. Velocidad de fase. Velocidad de grupo. Longitud de onda en la guía. Modos TE, TM. Impedancia de onda.

3.5. Guía de onda rectangular y circular.

Guías de onda conductoras con dieléctrico homogéneo.

Guía rectangular. Modos. Expresión para sus números de onda de corte.

Guía circular. Modos. Expresión para sus números de onda de corte.

Modo fundamental. Operación monomodo.

Tema 4. Antenas y propagación no guiada

¿Qué es una antena?

4.1. Estructuras básicas para la implementación de antenas.

Mecanismo de radiación.

4.1.1. Antenas de hilo.

Antena dipolo. Antena monopolo. Antena Yagi-Uda. Ejemplos prácticos y aplicaciones.

4.1.2. Antenas de bocina.

Antena de bocina rectangular (piramidal). Antena de bocina circular (cónica). Antenas con reflectores. Ejemplos prácticos y aplicaciones.

4.1.3. Antenas impresas.

Dipolo impreso. Antena parche. Agrupaciones de antenas. Ejemplos prácticos y aplicaciones.

4.1.4. Técnicas para el aumento de la directividad.

4.2. Parámetros de antena en transmisión.

Impedancia de entrada. Campos radiados por la antena en zona de campo lejano. Diagrama de radiación. Directividad. Ganancia. Polarización.

4.3. Parámetros de antena en recepción.

Teorema de reciprocidad. Impedancia de salida. Área efectiva. Eficiencia de apertura.

4.4. Ecuación de transmisión (fórmula de Friis).

Potencia Isotrópica Radiada Equivalente (PIRE). Potencia disponible en la antena receptora.

Práctica 1. Cable coaxial: parámetros fundamentales y propagación de ondas

Práctica 2. Guía de onda rectangular: campos, modos y propagación de ondas

Práctica 3. Guías de volumen, cables y guías planas: ventajas, inconvenientes y aplicaciones actuales

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Bibliografía

Acceda a la bibliografía que el profesorado de la asignatura ha solicitado a la Biblioteca.

Bibliografía básica

Parte A: Ondas acústicas

Apuntes del Profesor

L. E. Kinsler, A. R. Frey, A. B. Coppens, J. V. Sanders, “Fundamentos de acústica”, Limusa, 1998

Parte B: Ondas electromagnéticas

- Para líneas de transmisión:

Javier Bará, “Circuitos de microondas con líneas de transmisión”, Edicions UPC, 1994

Vicente E. Boria Esbert, “Líneas de transmisión”, Editorial Universidad Politécnica de Valencia, 2002

- Para ondas electromagnéticas:

Javier Bará, “Ondas electromagnéticas en comunicaciones”, Edicions UPC, 2001

Federico Dios Otín, David Artigas García, Jaume Recolons Martos, “Campos electromagnéticos”, Edicions UPC, 2001

- Para antenas y propagación no guiada:

Ángel Cardama, Lluís Jofre, Juan Manuel Rius, Jordi Romeu, Sebastián Blanch, “Antenas”, Edicions UPC, 1994

Bibliografía avanzada

Parte A: Ondas acústicas

Fahy Frank, “Foundations of engineering acoustics”, Elsevier, Londres, 2001.

Allan D. Pierce, “Acoustics, An Introduction to Its Physical Principles and Applications”, Acoustical Society of America, 1989.

Thomas D. Rossing (Ed.), “Handbook of acoustics”, Springer, New York, 2007.

Parte B: Ondas electromagnéticas

Simon Ramo, John Whinnery, and Theodore Van Duzer, “Fields and Waves in Communication Electronics”, Third Edition, John Wiley & Sons, Inc., 1993.

David M. Pozar, “Microwave Engineering”, Third Edition, John Wiley & Sons, Inc., 2005.

Constantine A. Balanis, “Antenna Theory: Analysis and Design”, Third Edition, John Wiley & Sons, Inc., 2005.

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Lugar de impartición

Aulario: Clases expositivas/participativas.

Laboratorio de antenas y microondas “Luis Mercader” (Edificio Los Tejos): Prácticas de ondas electromagnéticas.

Laboratorio de electroacústica (Edificio El Sario): Prácticas de ondas acústicas.

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