3: El efecto Doppler y la operación full-duplex en FM
Se describen los problemas de sintonizado que produce el Efecto Doppler en las comunicaciones con satélites y cómo puede superarse en la modalidad de FM.
El efecto Doppler
El efecto Doppler es un cambio que se produce en la longitud de onda y, en consecuencia, en la frecuencia, que se origina por el movimiento relativo entre el emisor de una onda respecto al receptor. Cuando un móvil se acerca hacia nosotros, puesto que la onda electromagnética se propaga siempre a una velocidad fija exactamente igual a la de la luz, el movimiento relativo de aproximación del transmisor respecto al receptor encoge la longitud de la onda en el espacio (figura 1) y ese efecto es exactamente equivalente a aumentar la frecuencia de transmisión por encima de la frecuencia nominal del transmisor, mientras que el movimiento posterior de alejamiento expande la longitud de la onda y, por consiguiente, equivale a disminuir la frecuencia de transmisión cuando el emisor móvil se aleja de nosotros.
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| Figura 1: El Doppler comprime los 4 ciclos al acercarse
y expande las 4 ciclos al alejarse. |
El efecto Doppler en los satélites LEO
Los satélite LEO, cuando aparecen por el horizonte, tienen la máxima velocidad relativa (+V) de aproximación respecto a nuestra estación y, justo cuando se elevan en el cielo y alcanzan la máxima elevación respecto a nosotros, se produce un instante de velocidad relativa nula (V=0), para alejarse de nosotros (-V) en la siguiente mitad del pase cada vez a mayor velocidad negativa, que alcanza el máximo cuando justo desaparece por el horizonte (figura 2).
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| Figura 2: El efecto de la velocidad V en los satélites LEO |
La gráfica del efecto Doppler
En la figura 3 hay un ejemplo de cómo varía la frecuencia de salida del transponedor de la estación Espacial (ISS) por el efecto Doppler que se produce cuando aparece por el horizonte y se aproxima hacia nosotros, pues aumenta su frecuencia de transmisión nominal de 437.800 hasta cerca de 437.810 (+10 kHz), mientras que, cuando pasa por el máximo de elevación, la recibimos exactamente en 437.800 y luego su frecuencia empieza a disminuir hasta cerca de 10 kHz cuando desparece por el horizonte en 437.790. Tendremos que ir desplazando el dial de nuestro receptor en consonancia con su desplazamiento de frecuencia para mantener el receptor centrado correctamente.
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| Figura 3: Un ejemplo del Doppler con el transponedor de la ISS. |
En cambio, en 144, como la estación espacial recibe en 145.900 y también se acerca hacia nosotros, deberíamos planificar nuestra transmisiones al principio del pase con cerca de -3 kHz por debajo de a nominal (145.987), porque la ISS recibirá la recibirá +3 kHz más alta de frecuencia, porque también nosotros nos estamos acercando a ella, aunque el efecto de captura de la FM no lo hará indispensable, porque se demodulará perfectamente igual, al ser esta desviación del Doppler mucho menor que el ancho de banda de una señal de FM.
Podríamos intentar entrar en la ISS cuando aparece por el horizonte disminuyendo nuestra transmisión un par de kHz, para centrar nuestra transmisión más tarde en 145.900 cuando llegue al máximo de elevación y, cuando ya se aleje de nosotros, bastará con que la incrementemos un par de kHz para que el efecto de captura de la FM nos demodule sin problemas en la entrada de su repetidor.
El QSO con un solo equipo de FM?
¿Es posible la operación en FM con un solo equipo? Si el equipo es bibanda, la respuesta es afirmativa, aunque es algo difícil, como veremos a continuación, pero ahora de momento vamos a pasar lista a la instalación mínima requerida.
La forma más simple de realizar un contacto es apuntar al satélite con una antena de mano mixta cruzada (figura 4) después de haber planificado bien la trayectoria prevista durante el pase. Por supuesto que necesitaremos una antena mixta para las dos bandas, de la que la configuración más simple es la doble Yagi con los elementos de cada banda perpendiculares entre sí, puesto que es la forma en la que la interacción entre las dos antenas es mínima.
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| Figura 4: Configuración para la operación en FM simplex |
Un solo equipo bibanda con una sola salida de antena, necesitará mezclar las dos señales en un duplexor (un diplexor propiamente dicho) que separe la transmisión de cada banda y la envíe hacia la antena correspondiente, mientras que al mismo tiempo encarrile también la recepción procedente de la banda opuesta hacia el único conector de antena de nuestro equipo bibanda. Los duplexores acostumbran a proporcionar una separación entre las dos bandas de unos -60 dB, lo que normalmente es suficiente. Por ejemplo, la antena Arrow de mano transportable con una funda se vende con un duplexor opcional integrable en la empuñadura, aunque solo aguanta potencias de hasta 10 W como máximo. Si la potencia que usamos es superior, necesitaremos un duplexor externo que soporte mayor potencia.
Debería llamarse realmente diplexor porque el prefijo “di” indica divergencia y separación, mientras que el prefijo “du” indica duplicación, que no es el caso de este dispositivo, puesto que separa las dos señales y le convendría más el prefijo “di”.
El efecto captura del más fuerte de la FM
La operación en simplex en FM tiene el inconveniente de que no podemos comprobar que nuestra señal salga repetida por el satélite en la otra banda, por culpa del efecto captura de la señal más fuerte en FM. Este efecto hace que la señal más fuerte se imponga en la demodulación en el satélite. Así que es muy posible que nuestras llamadas de CQ (o de respuesta) queden tapadas y ocultas por otra estación que llega algo más fuerte hasta el satélite que nosotros. Y como estamos transmitiendo no nos enteraremos de que ha sucedido esto.Y es algo muy frustrante, porque no tenemos ni idea de si el satélite nos repite o no.
Pero si somos los primeros en entrar en el satélite, tenemos alguna probabilidad de éxito y podríamos conseguir algún contacto, justo cuando se asoma por el horizonte, en los pases ascendentes de Sur a Norte, porque aún no han podido entrar las estaciones de más al norte de Europa. En los pases descendentes no vale la pena ni intentarlo, porque las estaciones europeas entran los primero en el satélite y ocupan el transponedor y solo podríamos tener algún éxito en los últimos dos minutos del pase en que ya estará fuera de su alcance.
¿Por qué es necesaria la operación en full-duplex?
La operativa en semi-duplex o simplex es poco factible en FM y con muchas dificultades, en CW. En SSB es muy poco práctica y nada operativa. Para la operación en banda cruzada en satélites V/U y U/V, necesitas comprobar exactamente dónde aparece tu transmisión en la salida del satélite, para poder contestar un CQ en la misma frecuencia de la estación que llama, o bien, si el que llama CQ eres tú, necesitas saber dónde te contestarán. Y eso aunque durante la transmisión el programa de seguimiento te corríjala desviación de frecuencia por Doppler mediante el control por CAT. Pero si operas en simplex, no tienes ninguna garantía de que salgas en la frecuencia correcta.
Si operas en simplex, probablemente nadie te escuchará al contestar un CQ fuera de frecuencia, a menos que seas un tiburón y te descubran por casualidad, gracias a tu exceso de potencia y antenas, pues es muy posible que salgas repetido muy lejos de la frecuencia de la estación que llama. Tal vez los que operan con un SDR vean una transmisión próxima y te sintonicen si no hay nada más que escuchar en la banda de paso del satélite, pero al resintonizar su receptor, lo más probable es que cambe también su frecuencia de transmisión y, si te contestan, tú ya no los escucharás en la frecuencia inicial..
En los satélites con repetidor de FM, es muy posible que, si operas en simplex, entres bien en el satélite y te contesten, pero es muy probable que, dada la congestión y competencia actual en FM, se imponga la ley del más fuerte y te planchen. En FM, el satélite “solo” retransmite la señal del más fuerte, por lo que es muy probable que te pisen todos los pesos pesados que utilizan buenas antenas directivas. Lo más probable es que te canses llamando y no te enteres de que nadie te escucha, porque todos te aplastan.
Full-duplex casi imprescindible en FM
Con un equipo capaz de full-duplex, es muy posible que alguien te escuche si tú mismo te oyes tu retransmisión bien centrado en la salida (downlink) del satélite, así que es muy importante que tu estación permita recibir y transmitir al mismo tiempo. De este modo, podrás oírte en la salida del satélite mientras emites, y comprobar que tu propia transmisión aparece en la salida del satélite en la frecuencia exacta, lo que garantiza que todas las demás estaciones te escucharán también. Y si no te oyeras exactamente dónde deberías salir, podrás utilizar los retoques previstos en el programa de seguimiento para corregir tu desviación y centrarte perfectamente.
En CW, como hay muy pocas estaciones que operen en esta modalidad, es posible que puedas hacer un CQ en semi-duplex y descubras con alguna dificultad que en otra frecuencia del transponedor hay una estación que te contesta. Pero siento decirte que hay muy pocas estaciones operando en CW en los satélites de radioaficionado, por la dificultad que supone la autoescucha en esta modalidad como explicaremos más adelante..
¿La corrección del Doppler es necesaria en FM?
Hablemos del efecto Doppler (figura 5), esa desviación que se produce en las frecuencias de un satélite debido a su velocidad relativa con respecto a la antena del observador. En 144 Mhz, la velocidad del satélite llega a desviar la frecuencia unos +/- 3, 5 kHz a cada lado de la frecuencia nominal (de entrada o salida), con un cambio total desde el orto (aparición) del satélite hasta el ocaso (desaparición) de unos 7 kHz, así que no es un problema especialmente grave y no vale la pena molestarse en corregirlo, como vemos en la figura 5. Pero en la banda de 435 MHz, la desviación por el efecto Doppler llega a alcanzar casi +/- 9,5 kHz durante un pase, lo que representa un cambio de frecuencia de unos 19 kHz en total.
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| Figura 5: Desviación de frecuencia por efecto Doppler |
Si comparamos la cifra de ±3,5 con el ancho de banda más habitual de unos 12 o 16 kHz de un receptor de FM clásico, vemos que ni en recepción ni en transmisión en 144 MHz apenas necesitaremos mover la frecuencia del receptor, porque siempre estaremos dentro del margen de captura de un demodulador de FM, tanto en recepción como en transmisión.
Sin embargo, en UHF, con los +/-9,5 kHz de los 435 Mhz, nos saldremos del margen de captura del demodulador del receptor de FM, si no cambiamos la frecuencia de transmisión o la de recepción en algún momento del pase. Así que necesitaremos ya sea reajustar la frecuencia de recepción del satélite que opera en el modo V/U, o bien la del transmisor cuando opera en modo U/V, por lo menos un par de veces durante el pase.
En FM, prepara tres frecuencias
En UHF, lo más aconsejable es anotarse previamente tres frecuencias (figura 6), una a +6 kHz por encima de la frecuencia nominal para el primer tercio del pase (1); la segunda debería ser la frecuencia exacta nominal en que recibe el satélite (2) y la tercera tendría que ser una frecuencia -6 kHz más baja (3) que la nominal para el tercer tercio, cuando ya se aleja el satélite de nosotros. Por supuesto, no hay que olvidarse de cambiar la frecuencia a lo largo del pase en cada tercio, por lo que debemos anotar, junto con las tres frecuencias, los minutos del pase en que debemos utilizar cada una y hacer el cambio, habiendo dividido previamente la duración del pase en tres partes iguales (1), (2) y (3).
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| Figura 6: Corrección Doppler en UHF. |
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Este sistema sirve tanto para la operación en V/U como para la operación en U/V, así que según sea el satélite, deberemos aplicar este cambio de frecuencia en UHF a la transmisión o la recepción.
De todos modos, actualmente, debido al problema del tercer armónico de la transmisión de 144 que puede saturas la recepción en UHF del satélite, se lanzan más cubesats que tienen la recepción en VHF y transmiten en UHF, porque el tercer armónico de 435 x 3 = 1205 Mhz no les molestará en la recepción), de modo que muchas veces nosotros tendremos el problema de tener que atenuar el tercer armónico de 144.
Operación en Full-Duplex con 2 equipos: U(TX)/V(RX)
Para asegurar el éxito, debemos comprobar de que el satélite nos repite y operar o bien con un equipo full-duplex bibanda (Kenwood TS-2000 o ICOM 910, 9100 o 9700), o más fácilmente, con dos equipos separados de VHF y UHF, uno con el que realizamos la transmisión en UHF y un segundo equipo (por ejemplo un SDR) que mantendremos en recepción permanente en VHF, lo que nos permitirá comprobar que somos nosotros los que estamos saliendo en el transponedor del satélite porque nos estamos escuchamos a nosotros mismos en la salida.
De todos modos, tenemos que resolver el problema de que nuestra transmisión en UHF puede llegar a saturar (por proximidad de las dos antenas) la recepción en VHF, especialmente si el receptor de VHF simultáneo es un simple SDR con escaso filtraje en la entrada. La solución más simple (figura 7) consiste en colocar un duplexor con una resistencia de carga que derive cualquier señal de UHF que pueda llegarle de nuestra propia transmisión en la banda contraria y que podría saturar la recepción del receptor SDR si no tiene filtros de entrada..
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| Figura 7: Configuración operativa en FM full-duplex U(TX)/ V(RX) |
Cualquier filtro de VHF intercalado realizaría mucho mejor esta función, pero estos filtros tienen el defecto de ser muchísimo más caros, mientras que los duplexores de 144/432 son unos filtros mucho más baratos que se pueden conseguir por menos de 50 euros y cn un aislamiento que se acerca a los -60 dB.
Full-Duples al revés con 2 equipos: V(TX)/U(RX)
A primera vista, parecería que bastaría simplemente con intercambiar las conexiones de las dos antenas con los equipos respectivos, para transmitir en VHF y recibir en UHF, pero ahora aparece un nuevo problema: la transmisión en FM en VHF genera un tercer armónico que entra de lleno en la banda de satélites de UHF y muy probablemente no bastarán los filtros pasabajos que lleva el propio equipo de 144 para atenuarlos suficientemente y evitar que nos sature y bloquee la recepción en UHF (figura 8).
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| Figura 8: Configuración para la operación full-duplex en FM con V(TX)/U(RX) |
Por eso es importante que coloquemos un segundo filtro atenuador de los armónicos generados (x3) y nada más barato que recurrir nuevamente a otro duplexor con una resistencia de carga en la salida U para librarnos de ellos y evitar que alcancen la antena y se cuelen y saturen la recepción en UHF. El primer duplexor anterior lo colocaremos ahora en la bajada de recepción para que frene la emisión fundamental de VHF y no perturbe la recepción en UHF con un SDR poco filtrado.
