Como funcionan los repetidores, Parte 1: Fundamentos analogicos, duplexores y filtros de cavidad

Que es un repetidor y que problema resuelve

Dos radios portatiles hablando directamente entre si funcionan en lo que suele llamarse simplex: ambos equipos transmiten y reciben en una misma frecuencia unica, y se alcanzan solo hasta donde su propia baja potencia y sus antenas cortas lo permitan. En terreno plano y abierto eso podria ser unas cuantas millas. Ponga un cerro, un edificio de acero o un valle de por medio y ese alcance se derrumba rapidamente. El radio que usted tiene en la mano hace su mejor esfuerzo con los dos a cinco vatios que posee, pero esta luchando contra la fisica y el terreno desde la peor posicion posible, que es justo a nivel del suelo.

Un repetidor resuelve esto actuando como un relevo en las alturas. Se ubica en un punto alto: la cima de un cerro, una torre, la azotea de un edificio alto, un tanque de agua. Escucha de manera continua en una frecuencia, la de entrada, y en el momento en que un portatil transmite, el repetidor retransmite ese audio en una segunda frecuencia, la de salida, con mucha mas potencia y desde un punto de vista mucho mejor. Cada radio del sistema transmite en la frecuencia de entrada y escucha en la de salida. Los dos portatiles que no podian escucharse directamente ahora alcanzan al repetidor con facilidad, y el repetidor alcanza a ambos. Su alcance efectivo ya no depende de la senal debil entre ellos. Depende de que tan bien cada uno pueda alcanzar el sitio elevado, lo cual es un camino mucho mas facil.

Esa es toda la idea. Un repetidor no hace que su portatil sea mas fuerte. Le da a cada radio del grupo un intermediario compartido y elevado que puede escuchar a los debiles y regresar el mensaje a un area amplia. Por eso un puñado de portatiles esparcidos por todo un condado pueden comunicarse entre si a traves de una sola maquina bien ubicada.

Las partes principales de un repetidor

Si se reduce un repetidor a lo esencial, se encuentra un pequeño conjunto de partes trabajando juntas. Ninguna de ellas es exotica por si sola. La ingenieria esta en como se combinan y se protegen.

• Un receptor. Una entrada de radio sensible sintonizada a la frecuencia de entrada. Su trabajo es captar senales debiles de portatiles distantes, por lo que la sensibilidad importa muchisimo.
• Un transmisor. Un radio sintonizado a la frecuencia de salida, que opera con mucha mas potencia que un portatil, con frecuencia decenas de vatios y a veces mas, segun el sitio y la licencia.
• Un controlador, a veces llamado la logica del repetidor. Este es el cerebro que decide cuando activar el transmisor, cuanto tiempo mantenerlo activo, cuando desactivarlo, y como manejar los tonos de cortesia, la identificacion y los tiempos de espera. En maquinas sencillas esto viene incorporado. En sistemas mas grandes es un equipo separado y con mas capacidad.
• Una antena y una linea de transmision. Por lo general una sola antena en la torre, alimentada por un cable coaxial que baja hasta el equipo. Dedicaremos tiempo a esto mas adelante, porque en un sitio de repetidor la antena y la linea de transmision no son un detalle secundario.
• Energia y energia de respaldo. Energia comercial para hacer funcionar todo dia a dia, mas baterias y a menudo una planta electrica para que el sitio siga funcionando cuando falla la red electrica.
• Un duplexor. El dispositivo que permite que el transmisor y el receptor compartan una sola antena sin destruirse mutuamente. Esta es la parte que la mayoria nunca ha escuchado nombrar, y es el corazon de este articulo.

Note que un receptor y un transmisor funcionan al mismo tiempo, en la misma caja, conectados a la misma antena. Ese solo hecho es donde empieza la dificultad.

Por que una sola antena complica las cosas

Un repetidor es un dispositivo full duplex. Transmite y recibe de manera simultanea y continua mientras hay una conversacion en curso. Eso es lo que hace que el relevo se sienta instantaneo. Tambien es lo que hace dificil el equipo.

Considere las cifras en terminos sencillos. El transmisor emite una senal fuerte, facilmente decenas de vatios. El receptor intenta detectar una senal proveniente de un portatil distante que, para cuando llega, podria ser una fraccion de una millonesima de vatio, o menos. Esas dos senales estan separadas por una razon enorme en cuanto a fuerza, y comparten la misma antena y el mismo tramo corto de cable dentro del gabinete.

Si no se hiciera nada para mantenerlas separadas, el transmisor inundaria al receptor. El receptor intentaria escuchar un susurro al otro lado del salon mientras una sirena de camion de bomberos suena justo encima de el. Esto se manifiesta de varias formas. El receptor puede desensibilizarse, es decir, su entrada se satura y simplemente se vuelve sorda a las senales debiles. Puede producir productos de mezcla, en los que senales fuertes se combinan dentro de la electronica y crean ruido falso justo donde usted intenta escuchar. De cualquier forma, la maquina deja de escuchar a los portatiles distantes a los que se debe, lo cual anula todo su proposito.

Hay dos formas honestas de manejar esto. Una es usar dos antenas separadas, con bastante distancia entre ellas, una para transmision y otra para recepcion, de manera que la distancia fisica provea el aislamiento. Eso funciona y se usa en algunas instalaciones, pero requiere espacio en la torre, equipo y una ubicacion cuidadosa. El otro enfoque, mas comun y mas compacto, es mantener una sola antena e insertar un dispositivo que separe las dos frecuencias mediante filtrado. Ese dispositivo es el duplexor.

El duplexor y sus filtros de cavidad

Un duplexor es un conjunto de filtros especializado que conecta un transmisor, un receptor y una antena a traves de tres puertos, y evita que la energia de transmision y la energia de recepcion interfieran entre si. Lo logra siendo muy selectivo en frecuencia. Presenta un camino facil para la frecuencia de salida que va hacia la antena, un camino facil para la frecuencia de entrada que viene de la antena hacia el receptor, y un camino fuertemente bloqueado para que la frecuencia de salida no se filtre hacia el receptor.

Los bloques de construccion de un duplexor son los filtros de cavidad, a menudo llamados simplemente cavidades o "cans". Un filtro de cavidad es una camara metalica resonante, por lo general un tubo con un conductor interno sintonizado, diseñado para resonar de forma marcada en una sola frecuencia. Debido a que resuena en una frecuencia especifica, puede sintonizarse para dejar pasar con fuerza la energia cercana a esa frecuencia mientras rechaza con firmeza la energia un poco alejada de ella. Se combinan e interconectan varias cavidades, algunas sintonizadas para dejar pasar la frecuencia de transmision y rechazar la de recepcion, y otras sintonizadas para dejar pasar la frecuencia de recepcion y rechazar la de transmision.

Al apilar ese filtrado, el resultado es una gran cantidad de aislamiento entre el puerto de transmision y el puerto de recepcion en las dos frecuencias que importan, mientras ambos siguen conectados a una sola antena. En la practica, esto es lo que permite que el receptor mantenga su sensibilidad a portatiles debiles aunque un transmisor potente este funcionando a tiempo completo a unas pocas pulgadas de distancia, en el mismo bastidor.

• Las cavidades son fisicamente grandes por una razon. Una mayor selectividad y una menor perdida por lo general requieren camaras resonantes mas grandes. Por eso un duplexor serio es un conjunto pesado de tubos metalicos y no una tarjeta de circuito pequeña.
• Estan sintonizadas, y la sintonia se desajusta. Las cavidades se ajustan a las frecuencias exactas de entrada y salida en uso. Los cambios de temperatura, los golpes mecanicos y el paso del tiempo pueden mover esa sintonia, lo cual es una de las razones por las que los sitios de repetidores necesitan mantenimiento periodico.
• Introducen algo de perdida. Nada es gratis. Un duplexor cuesta un poco de potencia de transmision y un poco de sensibilidad de recepcion a cambio de hacer posible la operacion con una sola antena. Un buen diseño mantiene ese costo bajo.

La separacion de frecuencia y por que importa el offset

Un duplexor solo puede hacer su trabajo si las frecuencias de entrada y salida estan lo bastante separadas para que las cavidades puedan diferenciarlas con limpieza. La brecha entre las dos se llama offset, o separacion. Si la entrada y la salida estuvieran casi en la misma frecuencia, ningun filtro razonable podria distinguirlas, y el transmisor se filtraria directamente hacia el receptor sin importar cuantas cavidades se apilaran.

Por esta razon, las bandas de radio usadas para repetidores tienen offsets estandar integrados en la manera en que se asignan las frecuencias. Las cifras exactas dependen de la banda, pero el principio es universal: la salida se ubica a una distancia fija de la entrada, y cada radio del sistema se programa para transmitir bajo y escuchar alto, o transmitir alto y escuchar bajo, segun corresponda al repetidor. Cuando alguien dice que un repetidor tiene un offset positivo o un offset negativo, esta describiendo en que direccion se ubica la entrada respecto a la salida, y en que magnitud.

Para quien programa los radios, de esto se derivan dos cosas. Primero, el offset tiene que ser correcto o el radio transmitira en la frecuencia equivocada y el repetidor nunca lo escuchara. Segundo, el offset no es arbitrario. Se elige para que quede comodamente dentro de lo que el duplexor puede separar y para que encaje en el plan de bandas de ese servicio. Lograr que un portatil trabaje con un repetidor consiste en hacer coincidir tres cosas: el par de frecuencias, la direccion del offset y, como veremos a continuacion, el tono.

Tonos CTCSS y PL

Un repetidor esta en la cima de un cerro escuchando todo en su frecuencia de entrada, incluyendo senales que deberia ignorar. Otros sistemas en frecuencias cercanas, estaciones distantes que llegan por saltos bajo ciertas condiciones, y simple ruido pueden alcanzar la entrada. Si el repetidor se activara y retransmitiera cada una de esas senales, estaria repitiendo basura constantemente e interfiriendo con los usuarios que en realidad le pertenecen.

CTCSS, siglas en ingles de Sistema Continuo de Silenciamiento Codificado por Tono y ampliamente conocido como PL, es la solucion mas comun. Es un tono bajo, subaudible, por debajo del rango de frecuencias que normalmente se nota en el habla, que un radio transmisor envia por debajo del audio de voz durante todo el tiempo que esta transmitiendo. El repetidor esta programado para exigir ese tono exacto. Si una senal llega en la frecuencia de entrada portando el tono correcto, el repetidor responde y la retransmite. Si una senal llega sin el tono, o con el tono equivocado, el repetidor la ignora.

• Es un filtro de acceso, no una encriptacion. Un tono no oculta ni codifica su audio. Cualquiera que escuche en la frecuencia de salida escucha todo. El tono solo controla a que responde el repetidor.
• Reduce la interferencia y las activaciones falsas. Al exigir el tono, el repetidor permanece en silencio cuando senales ajenas llegan a su entrada, lo cual mantiene el canal utilizable.
• Debe coincidir en ambos extremos. Un radio programado sin el tono, o con el tono equivocado, puede estar transmitiendo en la frecuencia exacta correcta con una senal fuerte y aun asi no recibir respuesta, porque el repetidor se niega a abrirse. Esta es una de las razones mas comunes por las que un radio bien sintonizado parece no funcionar.

Algunos sistemas tambien aplican un requisito de tono en la salida, de modo que los radios receptores permanezcan en silencio a menos que el repetidor envie el tono correspondiente, lo cual reduce aun mas el ruido que los usuarios tienen que soportar. Los detalles varian, pero el concepto es el mismo en todos los casos: un tono discreto y acordado funciona como una contrasena que mantiene al repetidor y a sus radios comunicandose solo entre si.

Altura de la antena y perdida en la linea de transmision

Todo lo anterior ocurre para que una sola antena pueda cumplir ambas funciones. Esa antena, y el cable que la alimenta, importan mas en un sitio de repetidor que en casi cualquier otro lugar, por una razon sencilla: el repetidor sirve a toda un area, asi que cualquier perdida o mala ubicacion se multiplica en todos los usuarios, en todas las direcciones, todo el tiempo.

La altura es la palanca mas importante. La radio en estas frecuencias viaja principalmente en linea de vista, asi que entre mas alta este la antena, mas lejos llega el horizonte y mas terreno despeja la senal. Elevar la antena en la torre por lo general hace mas por la cobertura que aumentar la potencia de transmision, porque la potencia levanta la senal un poco en todas partes mientras que la altura cambia lo que la antena realmente puede ver. Por eso los repetidores estan en las estructuras mas altas disponibles.

La perdida en la linea de transmision es el enemigo silencioso. El cable coaxial que va del equipo hasta la antena en la torre suele ser largo, y cada pie de cable absorbe algo de senal. Esa perdida trabaja en su contra dos veces: debilita la salida del transmisor antes de que llegue a la antena, y debilita las senales entrantes debiles antes de que lleguen al receptor sensible. En una torre alta el tramo de cable puede ser considerable, asi que los sitios usan lineas de transmision de baja perdida y de gran calibre, y mantienen los tramos y conectores en buen estado. Un conector corroido o un cable danado por agua pueden costarle silenciosamente a un sitio buena parte de su alcance, y como la maquina tecnicamente sigue funcionando, el problema a menudo pasa desapercibido hasta que se acumulan las quejas por cobertura.

Fundamentos del sitio: energia, respaldo, puesta a tierra, entorno

Un repetidor es tan confiable como el sitio que lo sostiene, y los sitios de radio suelen estar en lugares dificiles: cimas de cerros expuestas, torres remotas, refugios sin calefaccion. Unos cuantos fundamentos separan a un sitio que funciona por años de uno que falla en el peor momento.

• Energia principal. El equipo necesita energia limpia y estable. Los sitios usan acondicionamiento y proteccion para que los picos y bajones de la red no dañen los radios ni dejen el sitio fuera de servicio.
• Energia de respaldo. Las comunicaciones de seguridad publica no pueden detenerse porque falle la red electrica. Los sitios cuentan con baterias dimensionadas para sostener la carga durante un periodo significativo, y muchos suman una planta electrica para que el sitio siga funcionando durante interrupciones prolongadas. El proposito de un repetidor es funcionar durante la emergencia, que es justo cuando la energia es menos confiable.
• Puesta a tierra y proteccion contra rayos. Una antena alta en un punto elevado es un blanco natural para los rayos. Una puesta a tierra adecuada y proteccion contra sobretensiones le dan a las descargas un camino seguro hacia tierra en lugar de a traves de sus equipos electronicos. Esto no es opcional en un sitio expuesto, y protege tanto al equipo como a las personas que le dan mantenimiento.
• Control del entorno. El calor, el frio, la humedad y el polvo acortan la vida util del equipo y pueden desajustar la sintonia de piezas sensibles como las cavidades del duplexor. Los refugios, la ventilacion y el sellado contra el ingreso de agua mantienen el equipo dentro de las condiciones para las que fue diseñado.

Nada de esto es glamoroso, pero un repetidor perfectamente sintonizado con una bateria muerta o detras de una puesta a tierra corroida es solo una caja costosa. El trabajo del sitio es parte del sistema, no un asunto aparte.

Esa es la base analogica: un receptor y un transmisor que comparten una antena, mantenidos separados por un duplexor construido a partir de filtros de cavidad sintonizados, separados en frecuencia por un offset estandar, controlados por un tono para que la maquina solo responda a sus propios usuarios, elevados en una torre con una linea de transmision de baja perdida, y sostenidos por un sitio con energia de respaldo y proteccion reales. Entienda esta maquina y entendera la pieza sobre la cual se construye cada sistema mas grande. En las siguientes partes de esta serie conectaremos multiples repetidores en sistemas enlazados que cubren areas mucho mas amplias, y luego veremos los sistemas troncalizados, donde muchos usuarios comparten un conjunto de canales gestionados de forma automatica. Todo eso se construye directamente sobre los fundamentos aqui expuestos, asi que este es el punto correcto para empezar.