COMUNICACIONES

1. Universidad Autonoma de Baja California
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LA IONOSFERA
Marcos Marcos Fernando
e-mail: fmarcos@uabc.edu.mx
a) Ionosfera, como se ha segmentado
para su estudio y el efecto en cada
una de sus capas
Capas ionosféricas
En la noche la capa de F es presente mientras que
la ionización en la e y las D-capas es extremadamente
pequeña. Durante el día, una D y un E.layer forman y la
capa de F llega a ser mucho más fuerte y aparece a
menudo una deformación en su perfil que se llame F1.
El F2, sin embargo, es por día y noche el máximo
principal en la F-región y es crucial para la transmisión
de las ondas de radio.
La radiación solar, actuando en la composición
altura-dependiente de la atmósfera, genera diversas
capas ionizadas de modo que la propagación de onda
pueda ocurrir en maneras diferentes.
Figura 1. Capas de la Ionosfera
Capa de D
La capa de D es la capa íntima, 60 kilómetros a 90
kilómetros sobre la superficie de la tierra. La ionización
aquí es debido a la radiación del hidrógeno de la serie-
alfa de Lyman en una longitud de onda del óxido nítrico
ionizante de 121.5 nanometre (nanómetro) (NO).
Además, con las radiografías duras de la alta actividad
solar (longitud de onda < 1 nanómetro) puede ionizar
(N2, O2). Durante noche los rayos cósmicos producen
una cantidad residual de ionización. La recombinación
es alta en la capa de D, el efecto de ionización neto es
bajo,pero la pérdida de energía de onda es gran debido
a las colisiones frecuentes de los electrones (cerca de
diez colisiones cada milisegundo). Consecuentemente
(HF) las ondas de radio de alta frecuencia no son
reflejadas por la capa de D sino sufren la pérdida de
energía en esto. Ésta es la razón principal de la
absorción de las ondas de radio de HF, particularmente
en 10 megaciclos y abajo, con una absorción
progresivamente más pequeña pues la frecuencia
consigue más arriba. La absorción es pequeña en la
noche y la más grande sobre mediodía. La capa reduce
grandemente después de puesta del sol, un pequeño
resto sigue siendo debido a los rayos cósmicos
galácticos. Un ejemplo común de la capa de D en la
acción es la desaparición de las estaciones distantes de
la venda de difusión de la en el dia.
Durante acontecimientos solares del protón, la
ionización puede alcanzar inusualmente niveles en la D-
región sobre latitudes altas y polares. Tales
acontecimientos muy raros se conocen como
acontecimientos de la absorción de casquillo polar (o
PCA), porque la ionización creciente realza
perceptiblemente la absorción de las señales de radio
que pasan con la región. De hecho, los niveles de la
absorción pueden aumentar en muchos diez del DB
durante acontecimientos intensos,que es bastante para
absorber más (si no todos) transmisiones transpolares
de la señal de radio de HF. Tales acontecimientos duran
típicamente menos de 24 a 48 horas.
Capa de E
La capa de E es la capa media, 90 kilómetros a
120 kilómetros sobre la superficie de la tierra. La
ionización es debida a la radiografía suave (1-10
nanómetro) y a la ionización (ULTRAVIOLETA) lejos
ultravioleta de la radiación solar del oxígeno molecular
(O2).
Normalmente, en la incidencia oblicua, esta capa
puede reflejar solamente las ondas de radio que tienen
frecuencias más bajo que cerca de 10 megaciclos y
puede contribuir un pedacito a la absorción en
frecuencias arriba.Sin embargo durante acontecimientos
esporádicos intensos de E la capa del Es puede reflejar
frecuencias hasta 50 megaciclos y más arriba. La
estructura vertical de la capa de E es determinada sobre
todo por los efectos competentes de la ionización y de la
recombinación. En la noche la capa de E desaparece
rápidamente porque la fuente primaria de ionización está
no más presente. Después de que la puesta del sol un
aumento en la altura del máximo de la capa de E
aumente la gama a la cual las ondas de radio pueden
viajar por la reflexión de la capa.
Esta región también se conoce como la capa de
Kennelly-Heaviside o simplemente la capa de Heaviside.
Su existencia fue predicha en 1902 independientemente
y casi simultáneamente por el ingeniero eléctrico
americano Arturo Edwin Kennelly (1861-1939) y el físico
británico Oliverio Heaviside (1850-1925). Sin embargo,
no era hasta 1924 que su existencia fue detectada por
Edward V. Appleton.
Capa Es
La capa del Es (E-capa esporádica) es
caracterizada por las nubes pequeñas, finas de la
ionización intensa,que pueden apoyar la reflexión de las
ondas de radio, raramente hasta 225 megaciclos. Los
acontecimientos Esporádicos-e pueden durar por
apenas algunos minutos a varias horas. La propagación
esporádica de E hace a los aficionados de radio muy
emocionados, como trayectorias de propagación que
sean generalmente inalcanzables puedan abrir. Hay
causas múltiples de esporádicos-e que todavía estén
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siendo perseguidas por los investigadores. Esta
propagación ocurre lo más frecuentemente durante los
meses del verano en que los altos niveles de señal
pueden ser alcanzados. Las distancias de salto son
generalmente alrededor 1000 kilómetros (620 millas). La
difusión DX'ers del VHF TV y de FM también consigue
emocionada mientras que sus señales se pueden
despedir de nuevo a la tierra por el Es. Las distancias
para una propagación del salto pueden estar tan cerca
como 900 kilómetros [500 millas] o hasta 2500
kilómetros (1.400 millas), la recepción del Douple-salto
sobre 3500 kilómetros (2.000 millas) es posible,también.
Capa de F
La capa o la región de F, también conocida como
la capa de Appleton extienden de cerca de 200
kilómetros a más de 500 kilómetros sobre la superficie
de la tierra. Es la tapa la mayoría de la capa de la
ionosfera. Aquí (ULTRAVIOLETA, 10-100 nanómetro) la
radiación solar ultravioleta extrema ioniza el oxígeno
atómico. La capa de F consiste en una capa en la
noche, pero durante el día, una deformación forma a
menudo en el perfil que se etiqueta F1. Sigue habiendo
la capa F2 por el día y la noche responsables de la
mayoría de la propagación de la onda de las ondas de
radio,facilitando (HF, u onda corta) comunicaciones por
radio de alta frecuencia sobre distancias largas.
Modelo ionosférico
Un modelo ionosférico es una descripción
matemática de la ionosfera en función de localización,
de altitud, del día de año, de la fase del ciclo del punto
del sol y de actividad geomagnética.Geofísico,el estado
del plasma ionosférica se puede describir por cuatro
parámetros: composición de la densidad de electrón, de
la temperatura del electrón y del ion y, puesto que varias
especies de iones son actual, iónica. La propagación de
radio depende únicamente de densidad de electrón.
Los modelos se expresan generalmente como
programas de computadora. El modelo se puede basar
en la física básica de las interacciones de los iones y de
los electrones con la luz neutral de la atmósfera y del
sol,o puede ser una descripción estadística basada en
una gran cantidad de observaciones o una combinación
de la física y de observaciones.Uno de los modelos más
ampliamente utilizados es la ionosfera internacional de
la referencia (IRI) [3] (IRI 2007), que se basa en datos y
especifica los cuatro parámetros apenas mencionados.
El IRI es un proyecto internacional patrocinado por el
comité sobre la investigación del espacio (COSPAR) y la
unión internacional de la ciencia de radio (URSI). [4] Las
fuentes de datos principales son la red mundial de
ionosondes, los radares incoherentes de gran alcance
de la dispersión (Jicamarca, Arecibo, colina de la piedra
de molino,Malvern, St. Santin), los receptores acústicos
de la superestructura de ISIS y de Alouette, e
instrumentos ines situ en varios satélites y cohetes. IRI
se pone al día anualmente.IRI será establecido en 2009
por el International Organization for Standardization
(ISO) como TS16457 estándar. IRI es exacto en la
descripción de la variación de la densidad de electrón de
la parte inferior de la ionosfera a la altitud de la densidad
máxima que en la descripción del contenido total del
electrón (TÉCNICO).
b) Ondas utilizadas en las
comunicaciones (Explicación)
Onda de tierra o de superficie
Viajan siguiendo la superficie de la tierra (medio
dieléctrico con pérdidas). Le influye el tipo de suelo,
grado de humedad, frecuencia, etc.
Las ondas deben tener polarización vertical.
Antenas perpendiculares al suelo
Radiodifusión AM: altura =75m para frecuencias
alrededor de 1MHz
Las pérdidas crecen con la frecuencia.
Utilidad en bandas LF, MF y HF (30KHz-30MHz).
Se aplica a sistemas navales y radiodifusión.
Figura 2. Ondas de tierra o de superficie
Onda Guiada Tierra-Ionosfera
En VLF (3 kHz-30 kKHz) el suelo y la Ionosfera se
comportan como buenos conductores.
Como la distancia h que los separa (60-100 km) es
comparable con la longitud de onda en esta banda (100
km- 10 km), la propagación se modela como una GUÍA
ESFÉRICA con pérdidas.
Las antenas, verticales, son eléctricamente
pequeñas,aunque de dimensiones físicas muy grandes.
Las aplicaciones son Telegrafía naval y submarina,
ayudas a la navegación, etc. y poseen cobertura global.
Figura 3. Ondas guiada tierra-ionosfera
Ondas espaciales
Propagación a través de la troposfera. Antenas
elevadas del suelo varias longitudes de onda y
directivas.
Radiodifusión FM: longitud 1m para frecuencias
alrededor 100MHz. Utilidad en frecuencias VHF y
superiores (>30MHz)
Se puede hallar el alcance a través de la “distancia
de visibilidad radioeléctrica”.
Antenas en línea de visión directa (Line On Sight).

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Figura 4.
Figura 5.
Distancia de horizonte:
“distancia de visibilidad radioeléctrica”es igual a la
suma de “distancias de horizonte “
𝒅(𝑲𝒎) ≈ 𝟒[ √ 𝒉 𝒓(𝒎) + √ 𝒉 𝑡(𝒎)]
Índice de refracción cambia con la altura
Req.=4/3 R , R=6370Km
Además de onda directa también puede haber
onda reflejada y dispersión troposférica
Figura 6.
Figura 7.
Se pueden conseguir grandes alcances. Usos
militares.
350MHz<f<10GHz
Ondas ionosféricas
Propagación a través de reflexiones en la ionosfera
Utilidad en bandas MF y HF (0.3-30MHz)
(frecuencias mayores no se reflejan)
Onda Media , Onda Corta
En HF se utilizan antenas elevadas con
polarizaciones horizontales y verticales (abanicos,
rómbicas, etc.).
Alcance sujeto a variaciones debido a que las
condiciones de la ionosfera cambian debido a la
temperatura, manchas solares, etc.
Figura 8.
Figura 9. Ondas ionosfericas
Alcance de noche e invierno es mayor porque la
ionización es menor.
Depende de la frecuencia y del ángulo de la antena
El alcance para un solo salto varía entre:
- MF: 0 a 2000 km (noche)
- HF: 50 a 4000 km (día y noche)
Se aplica en radiodifusión y comunicaciones punto
a punto.
c) Efecto de la Ionosfera para las
comunicaciones
Efectos del canal sobre la señal
Desvanecimientos
Los desvanecimientos o fadings se aprecian como
disminuciones en la señal recibida debido al efecto
multipath o a las alteraciones ionosfericas. La diferencia
entre el nivel nominal de potencia transmitida y el nivel
de potencia recibida se llama profundidad de
desvanecimiento y se expresa en dB.
Los desvanecimientos se pueden clasifican en
profundos (caída de 3 dBs) y muy profundos (caída
superior a 20 dBs). Dentro de los desvanecimientos
profundos se encuentran los causados por el multipath.
Interferencia
La interferencia se refleja como perturbaciones de
la señal y son debidas a la interacción con otras señales
de alta intensidad que se encuentran sobre la banda de
transmisión o próxima a ella. El limitado rango de
frecuencias utilizables para fines de radiocomunicación
ionosferica unido a la cobertura mundial que ofrece,
resuelven en un medio altamente interferente. Las
interferencias se pueden clasificar según el número de
fuentes que las originan y en función de la proximidad al
canal de transmisión.
Ruido
La viabilidad de una comunicación se ve limitada
por la máxima relación SNR que se puede obtener en
recepción. El ruido interferente en una comunicación

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tiene orígenes internos y externos a la misma. En
general,se puede decir que el ruido interno es propio de
los equipos electrónicos mientras que el externo es
ocasionado por la naturaleza o por las condiciones
medioambientales.
• El ruido interno. Es generado por los propios
dispositivos electrónicos y por las instalaciones
realizadas por el hombre como las líneas de alta tensión
o el cableado eléctrico de una ciudad. Este tipo de ruido
tiende a estar verticalmente polarizado por lo que su
efecto podría ser reducido radiando la señal con
polarización horizontal de la antena. Este tipo de ruido
decrece cuando aumenta la frecuencia.
• El ruido externo. El ruido atmosférico está
presente a lo largo de todo el camino ionosferico aunque
su influencia es mayor en zonas ecuatoriales y
decreciente al desplazarse hacia el norte o el sur [53]. El
ruido externo puede ser de diversa índole: el ruido
atmosférico, que es de carácter intenso y rápido,
causado principalmente por tormentas magnéticas; el
ruido galáctico que proviene del espacio; y el ruido
térmico generado por la agitación de los electrones a
una determinada temperatura.
Dispersión temporal
La dispersión temporal mide el ensanchamiento o
dispersión que ha sufrido un pulso al atravesar la
ionosfera,y que puede ser evaluada a partir del intervalo
de retardos en los que la función de autocorrelacion de
la respuesta impulsional del canal es diferente de cero o
superior a un límite. La dispersión puede observarse
como un desvanecimiento selectivo en frecuencia. Es
conveniente distinguir dos causas de dispersión
temporal:
• Multipath spread.La señal recibida en el receptor
es una suma de varias señales que han recorrido
trayectorias diferentes. Las señales incidentes pueden
ser refractadas a diversas alturas por lo que recorren
longitudes diferentes. El receptor las aprecia como una
dispersión temporal.
• Delay spread. Por otro lado, como ya se indicara
en apartados previos, las componentes de una señal
pueden verse afectadas por velocidades de propagación
diferentes causando una dispersión temporal. Este
hecho afecta a cada camino posible de una señal.
Recuérdese que la ionosfera presenta un índice de
refracción variable con la altura y dependiente de la
frecuencia por lo que este efecto es especialmente
relevante en las señales de mayor ancho de banda.
Dispersión frecuencial
El desplazamiento frecuencial es causado por la
variabilidad del canal ionosferico y por los diferentes
caminos que pueden recorrer las componentes de cada
señal. La altura media de las capas ionosfericas suele
aumentar y disminuir con el paso de las horas.
Esta alteración en la morfología de la ionosfera
provoca un desplazamiento frecuencial debido al efecto
doppler. De forma análoga a la dispersión temporal, la
dispersión frecuencial se refleja como un
desvanecimiento selectivo en el tiempo. Al igual que la
dispersión temporal, en la dispersión frecuencial se
distingue:
• Doppler Spread. La varianza en el tiempo de la
propagación del canal provoca un desvanecimiento
selectivo en frecuencia. Si la señal transmitida es de
corta duración temporal se observa un canal invariante
en el tiempo. Pero a medida que se incremente la
duración de la señal, el canal tiene más tiempo para
variar, y en consecuencia distorsionar la señal
transmitida. Los principales causantes del doppler
spread son las variaciones en la absorción, las
diferentes longitudes recorridas por las componentes de
la señal y los cambios de polarización de la señal.
• El doppler shift mide el desplazamiento en
frecuencia de la señal recibida respecto a la enviada.
Se define como tiempo de coherencia del canal al
tiempo en el cual su comportamiento es
aproximadamente invariante, y se cuantifica como el
inverso de la máxima frecuencia doppler.
Fiabilidad
La fiabilidad de una comunicación HF es un
indicador de la probabilidad de que un enlace alcance
una calidad determinada con una o más frecuencias. En
el caso de una frecuencia, la fiabilidad es igual al
porcentaje de tiempo en el que la relación SNR rebasa
un valor limitante multiplicado por los días del mes que
se espera que exista el circuito ionosferico, es decir, su
disponibilidad.
Disponibilidad
El valor de disponibilidad aporta un valor de
referencia para estimar cuando un enlace ionosferico es
posible. Y si lo es, como. De ese modo, se podrá
escoger la frecuencia idónea en cada momento.
d) Efecto de la Ionosfera para las
comunicación vía satélite
La ionosfera es la capa de la atmósfera que está
compuesta por un número de regiones ionizadas y
afectan a la propagación de ondas de radio,
principalmente debido a la presencia de iones y
electrones libres que están acomodados en capas
estratificadas.
En un sistema de comunicaciones satelital, la
señal, en su trayecto hacia el satélite atraviesa la
ionosfera y ésta por sus características afecta a la señal
de diferentes maneras.
La ionosfera es un medio dispersivo, en tales
medios, el índice de refracción es una función de la
frecuencia, por lo tanto, una señal que atraviesa la
ionosfera sufre una distorsión provocada por el

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desfasamiento de sus componentes espectrales. La
magnitud de tal efecto está en función de la frecuencia
portadora y de la distancia, provocando cambios en el
ancho de banda que ocupa la señal. En la transmisión
de señales un factor importante que se debe cuidar es el
ancho de banda,dado que el ancho de banda disponible
es un recurso finito y está designado para usos
específicos, por lo tanto, los cambios en el ancho de
banda que ocupa la señal deben ser tomados en cuenta.
La propagación de señales en la ionosfera y otros
medios no homogéneos ha sido de gran importancia y
motivo de estudio debido a su aplicación en áreas como
comunicaciones satelitales, comunicaciones cósmicas,
en otras áreas como radioastronomía, astrofísica y el
estudio de plasmas bajo condiciones de laboratorio.
Una señal puede sufrir una variedad de efectos al
momento de estar propagándose a través de la
ionosfera, por ejemplo, un pulso de FM con forma
Gausiana al momento de entrar a la ionosfera esta se
distorsiona en amplitud, además de que la duración del
pulso se incrementa, pero en el caso de un pulso sin
modular que atraviesa la ionosfera, el ensanchamiento
del pulso prevalece en contraste con una reducción de la
amplitud,todas estas distorsiones son en términos de la
densidad electrónica integrada a lo largo de la
trayectoria de transmisión.
Cuando se tienen dos pulsos del mismo ancho de
banda,un pulso modulado de FM y uno no modulado, la
degradación de la amplitud y el ensanchamiento del
pulso son iguales. Las diferentes distorsiones que se
generan están sujetas a los cambios de las condiciones
de la ionosfera, además también del ángulo de
elevación.
Además de las distorsiones de amplitud,la señales
también sufren retardos al momento de atravesar la
ionosfera,la velocidad de la señal va a ser proporcional
al número total de electrones libres. Presenta una
expresión para calcular el tiempo de retardo de grupo
promedio de una señal que se propaga en la ionosfera,
que es la diferencia entre una portadora y su banda
lateral, ésta se usa para hacer una aproximación del
número total de electrones libres en la ionosfera.
La ionosfera se comporta como una red dispersiva
que tiene un retardo de grupo que es directamente
proporcional al número de electrones a lo largo de la
trayectoria de propagación e inversamente proporcional
al cuadrado de la frecuencia de la señal. Cuando un
pulso con envolvente gaussiana pasa a través de la
ionosfera,su envolvente permanece gausseana pero su
ancho de banda de 3 dB será más ancho y su amplitud
disminuye.
Otro aspecto muy importante es también el ancho
de banda de la señal, ya que esta es afectada por la
dispersión de la señal y por lo tanto es importante
considerar el ancho de banda máximo que ocupara tal
señal al momento de atravesar la ionosfera. Al
considerar la velocidad de grupo promedio de la señal
en la ionosfera, se puede calcular la diferencia en
tiempos de retardo de las componentes extremas del
espectro de la señal y tomando en cuenta la variación de
los parámetros de la ionosfera es posible hacer el
cálculo del ancho de banda máximo que permite el
desfasamiento.
e)BIBLIOGRAFIA
PFC_Francisco_Acosta.pdf
wiki_iono_es.pdf
61412184003.pdf
rdpr3.pdf
tpcanal2.pdf