El efecto Doppler en las telecomunicacaiones

El efecto Doppler, es uno de los pocos fenómenos físicos que quedan en la memoria de gente con el paso del tiempo.

Dicho efecto se puede definir como la variación de la frecuencia de una onda emitida por una fuente en movimiento.

En Francia dicho efecto se conoce como el efecto Doppler-Fizeau. Y si, Fizeau era Francés, al contrario que Doppler que era Austriaco.

Efecto Doppler

Aunque si que es cierto que “La grandeur de la France“, distorsiona la objetividad histórica, hay que romper una lanza en favor de Fizeau y de sus investigaciones, puesto que descubrió el fenómeno de forma independiente y asociado a las ondas electromagnéticas y no sólo a las ondas sonoras. Lo cual tiene un gran impacto puesto que el electromagnetismo es la base de las telecomunicaciones.

¿Y en la práctica cómo afecta?

Evidentemente afecta a las comunicaciones móviles donde el emisor y/o receptor están en movimiento.

En la práctica las más afectadas son las comunicaciones vía satélite con satélites de órbitas bajas que orbitan constantemente alrededor de la tierra (no de satélites en órbita geoestacionaria que están siempre en el mismo punto del cielo) y de sistemas de telefonía móvil sobre todo en casos extremos, por ejemplo cuando vamos en coche, tren o avión.

La variación obviamente depende mucho tanto de la velocidad de desplazamiento como de la frecuencia. Y los podemos calcular fácilmente con la siguiente fórmula.

Fr = (Fp / c) * Vs

Fr es la frecuencia en la que recibiremos la señal del satélite
Fp es la frecuencia de portadora en la que emite el satélite
c es la velocidad de la luz
Vs es la velocidad del satélite

 

Veamos algunos ejemplos:

Con telefonía móvil funcionando en 1,8GHz.

Peatón caminando a 1 m/s

Fr=1,8GHz x (1 m/s / 3×10^8m/s) = 5,94 Hz

Coche en vía rápida a 33,3 m/s

Fr=1,8GHz x (33,3 m/s / 3×10^8m/s) = 200 Hz

Tren a 80 m/s

Fr=1,8GHz x (80 m/s / 3×10^8m/s) = 480 Hz

Avión a 200 m/s

Fr=1,8GHz x (200 m/s / 3×10^8m/s) = 1200 Hz

La Estación Espacial Internacional (ISS) en downlink (145,800 MHz)

Fr=145,8MHz x (7700 m/s / 3×10^8m/s) = ~3750 Hz

Vemos que incluso andando hay que compensar el efecto doppler. En cualquier caso la realidad del efecto doppler es mucho más compleja  y estamos hablando del esparcimiento doppler debido a múltiples factores, el cual nos limita la tasa de transmisión.

¿Y cómo se soluciona?

En ingeniería nunca hay buenas soluciones, hay soluciones mejores y peores. Pero normalmente la que soluciona un problema empeora otro.

En el caso del Doppler en enlaces digitales, se utilizan memorias para la corrección del desplazamiento. Pero si usamos memorias muy grandes la comunicación llevaría mucho retraso, y en el caso de la voz, podría hacer que una conversación telefónica fuera cuanto menos incómoda.

En el caso de comunicaciones analógicas (típicamente telefónicas) la corrección se puede realizar mediante un ajuste automático de frecuencias portadoras, es decir adaptando la frecuencia de emisión para que al introducir el desplazamiento en frecuencia resulte la onda esperada en recepción, o también se pueden compensar en recepción.

En resumen

El efecto Doppler en la portadora es fácilmente eliminable en recepción, pero no sólo hay un efecto ahí, sino que también aparece un ensanchamiento de la banda base debido al desplazamiento diferencial y efectos transitorios debido a la conmutación. Además estos efectos perniciosos varían con el tipo de señal transmitida y con la órbita del satélite.

Por lo tanto no vamos a poder eliminar todos los errores todo el tiempo (esto es aplicable a cualquier medio de transmisión). En telecomunicaciones siempre se habla de reducir dichos errores a proporciones despreciables, pero si que vamos a poder minimizarlos y reducirlos bajo un umbral determinado, aunque siempre llegando a una situación de compromiso en la que nos vamos a ver limitados en el ancho de banda efecto de dicho canal de transmisión.

Pero no todo es malo. El Efecto Doppler en comunicaciones es pernicioso, pero tiene aplicaciones médicas muy útiles, como es el poder ver los vasos sanguíneos, así como el sentido y caudal del flujo, con lo cual se pueden detectar obstrucciones en una normal circulación sanguínea.

 

 

Referencias

UIT-T G.225

 

 

 

 

 

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