28/04/2012

Fundamentos de las Comunicaciones Digitales

M.Sc. Csar Alberto Huaman Huarcaya c11126@utp.edu.pe 963718066

Fundamento de las Comunicaciones Digitales Seales y Datos: Analgicos y Digitales Modulacin Seales de Banda Base y Codificacin Mtodos de Acceso al Medio

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Seales y Datos: Analgicos y Digitales

En los sistemas de comunicacin, la onda recibida se separa en informacin deseada y no deseada. La informacin o dato a transmitir se representa en forma de seales, para ser enviada a travs de un medio de transmisin.

Seales y Datos: Analgicos y Digitales Ejemplo de dato analgico es la voz humana

Ejemplo de dato digital es la voz humana codificada

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Seal AnalgicaUna seal analgica es, aquella funcin matemtica continua en la que es variable su amplitud (representando una cantidad de seal) en funcin del tiempo. La gran desventaja respecto a las seales digitales es que en las seales analgicas cualquier variacin o prdida de informacin provocada por el ruido es de difcil recuperacin.

Seal DigitalSe dice que una seal es digital cuando las magnitudes de la misma se representan mediante valores discretos en lugar de variables continuas. Los sistemas digitales, como por ejemplo el ordenador, usan lgica de dos estados representados por dos niveles de tensin, uno alto, H y otro bajo, L. Por abstraccin, dichos estados se sustituyen por ceros y unos, lo que facilita la aplicacin de la lgica y la aritmtica binaria. Si el nivel alto se representa por 1 y el bajo por 0.

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Ventajas La seal digital es ms inmune al ruido. La seal digital es menos sensible que la analgica a las interferencias. Ante la prdida de cierta cantidad de informacin, la seal digital puede ser reconstruida gracias a los sistema de regeneracin de seales. Facilita el procesamiento de la seal. Las operaciones son ms rpidas y en muchos casos reversibles.

Desventaja La seal digital requiere mayor ancho de banda para ser transmitida que la analgica. Se necesita una conversin analgico-digital previa y una decodificacin posterior, en el momento de la recepcin. La transmisin de seales digital requiere una sincronizacin precisa entre los tiempos del reloj de transmisor, con respecto a los del receptor. Un desfase, por mnimo que sea, cambia por completo la seal.

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Datos y Seales Siempre se ha considerado seales analgicas para representar datos analgicos, y seales digitales para representar datos digitales. Pero no son las nicas posibilidades:

Datos y Seales

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Fundamentos de las Comunicaciones Digitales Seales y Datos: Analgicos y Digitales Modulacin Seales de Banda Base y Codificacin Mtodos de Acceso al Medio

Sistema de Comunicacin DigitalService Signal Source Coding Channel Coding & Interleaving Modulation Transmission

bit

symbol

modulated signal

Radio Channel

Service Signal

Source Decoding

Channel Decoding & Deinterleaving

Demodulation

Reception

Receiver

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Modulacin Se denomina modulacin, a la operacin mediante la cual ciertas caractersticas de una onda denominada portadora, se modifican en funcin de otra denominada moduladora, para que pueda ser transmitida. Esquema de modulacin:

Modulacin

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Modulacin por onda continua La onda denominada portadora, cuya forma de onda es sinusoidal, se modificara su amplitud, frecuencia o fase, en funcin de la seal moduladora. La onda portadora se caracteriza por la expresin:

En la funcin de onda portadora existen tres parmetros que pueden

ser modificados: Modulacin por amplitud (ASK) Modulacin por frecuencia (FSK) Modulacin por fase (PSK)

Modulacin por onda continuaData to be transmitted: Digital Input

1

0

1

0time

Basic steady radio wave: carrier = A.cos(2pFt+f) Amplitude Shift Keying: A.cos(2pFt+f) Frequency Shift Keying: A.cos(2pFt+f) Phase Shift Keying: A.cos(2pFt+f)

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Modulacin por Amplitud En su anlisis espectral la seal modulada se desplaza en la frecuencia de la portadora. Existen dos tipos de modulacin en amplitud:

Por variacin de nivel de la onda portadora Por supresin de onda portadora

Variacin de Nivel de la Onda PortadoraSi hablamos de una seal bipolar, el proceso de modulacin se verifica en la siguiente grfica:

En este caso la fase y la frecuencia de la seal, quedan constantes antes y despus de ser moduladas.

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Supresin de Onda Portadora Su uso es en el sistema telegrfico, donde los valores de la seal modulada varan entre un valor de amplitud A para el digito 1 y la directa supresin de la portadora para la transmisin del dgito 0.

Proceso de un modulador en amplitudSi se denomina d(t) a la secuencia de ceros y unos que constituyen la seal moduladora, dicha funcin quedara representada por las siguientes proposiciones:

Recordando la expresin para la onda portadora, se tendr si se mezclan ambas seales la siguiente expresin:

Recordar que: w p 2pf p Reemplazando tendremos:

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Esquema del modulador ASK

Donde fp es la frecuencia de la portadora.

Anlisis Espectral de la Seal ASKSeal moduladora:

Espectro desplazado en wp:

-wp - B

-wp

-wp+B

wp- B

wp

wp+ B

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Conclusiones y Aplicaciones La modulacin ASK es una tcnica de modulacin ineficaz ya que es muy susceptible al ruido.

Aplicacin: La tcnica ASK se utiliza para la transmisin de datos digitales en fibras pticas, en los transmisores con LED, la expresin de la seal modulada sigue siendo vlida. Es decir, un elemento de seal se representa mediante un pulso de luz, mientras que el otro se representa mediante la ausencia de luz. Los transmisores lser tienen normalmente un valor de desplazamiento, "bias", que hace que el dispositivo emita una seal de alta intensidad para representar un elemento y una seal de menor amplitud para representar al otro.

Modulacin por frecuenciaEl parmetro de la seal senusoidal de la portadora que se hace variar, es la frecuencia. Cuando la seal moduladora es de origen digital, la seal modulada tomar un nmero discreto de valores de la frecuencia, iguales al nmero de valores que correspondan a la seal moduladora.

Existen dos tipos de modulacin por desplazamiento de frecuencia: Modulacin de frecuencia en banda angosta Modulacin de frecuencia en banda ancha

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Modulacin por frecuenciaLa modulacin por frecuencia es la primera tcnica que se implemento en trminos prcticos, para modular seales digitales de datos (mediante normas internacionales)

Modulacin por Fase Es aquella modulacin en que el parmetro de la seal senusoidal de la portadora que se va a variar, es la fase. La amplitud de la portadora permanece constante. Este tipo de modulacin, es la ms usada para modular seales digitales mediante el uso de modem de datos.

En la figura se puede observar las discontinuidades de fase que parecen al comienzo y al final de cada intervalo T, cuando hay transicin de 0 a 1 o de 1 a 0 producida por una seal modulante digital.

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Proceso de la Modulacin de FaseLa seal d(t) es la seal digital binaria de informacin. PSK se caracteriza por la siguiente ecuacin:

m(t ) d (t ) P cos w p tCon: Para: Para:

w p 2pf pd (t ) 1d (t ) 1

m(t ) Psenw p

m(t ) Psenw p Psen(w p t p )

Tipos de Modulacin PSKLas modulaciones PSK pueden dividirse en dos grandes grupos, dependiendo del lugar en donde esta la informacin: a. PSK convencional.- En las que la informacin se codifica en el valor del salto de fase. En el sistema PSK convencional es necesario tener una portadora en el receptor para sincronizacin, o usar un cdigo auto-sincronizante. Esto supone tener un receptor mas complejo. b. PSK diferencial.- En las que el valor del salto de fase respecto al del salto anterior, es el que contiene la informacin. Al contrario que las modulaciones PSK convencionales, no necesita recuperar la seal portadora para realizar la demodulacin. Es diferencial puesto que la informacin no esta contenida en la fase absoluta, sino en las transiciones.

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Modulacin por Desplazamiento de Fase PSK Es una forma de modulacin angular con amplitud constante, la seal de entrada es binaria y el nmero de fases a la salida son limitadas. Transmisin por desplazamiento de fase binaria BPSK: Son posibles dos fases de salida para una sola frecuencia de portadora una fase es para 1 y la otra para 0. Conforme la seal digital de entrada cambia, la fase de la salida se varia entre 0 y 180.

Modulacin por desplazamiento de fase binaria (BPSK)Conforme la seal de entrada cambia de estado, la fase de la portadora de salida se desplaza entre dos ngulos con una diferencia de 180 entre ellos. Transmisor de PSK binario:

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Seales en el transmisor BPSK Seal de entrada binaria:

Seal de salida analgica:

Receptor de BPSKConformado bsicamente por tres bloques: Recuperacin de portadora: Circuito que detecta y regenera una seal de portadora que es coherente, tanto en frecuencia como en fase, con la seal portadora del transmisor original. Modulador balanceado: Realiza el producto entre la seal BPSK y la portadora recuperada. Filtro pasa bajas (LPF): Separa los datos binarios recuperados de la seal demodulada compleja.

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Modulacin por desplazamiento de fase cuaternaria (QPSK) Tcnica de codificacin Maria, con M=4, en la cual existen cuatro posibles fases de salida.

Los dibit posibles son: 00 01 10 11Por cada dibit (dos bits) introducido al modulador ocurre un cambio en la seal de salida, ocasionando que la tasa de Baudios sea entonces la mitad de la tasa de bits.

Transmisor QPSK

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Receptor de QPSK

Aplicacin de Modulacin QPSKMODEMS Satelitales Los modems satelitales se componen bsicamente de una tarjeta moduladora, una tarjeta demoduladora y una tarjeta de control. La modulacin mas usual es la QPSK. En un modem generalmente se programan los siguientes parmetros: Tipo de modulacin, FEC, reloj, nivel de potencia, velocidad de transmisin/recepcin. La seal modulada opera a nivel de IF (Frecuencia Intermedia) que generalmente es 70 MHz o 140 MHz.

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Seales de Banda Base

Se denomina banda base al conjunto de seales que no sufren ningn proceso de modulacin a la salida de la fuente que las origina, es decir son seales que son transmitidas en su frecuencia original. Dichas seales se pueden codificar y ello da lugar a los cdigos de banda base.

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Seales de Banda BaseLas seales empleadas en banda base se pueden clasificar de la siguiente forma:

Unipolares Polares Bipolares

UnipolaresEn este caso un 1 siempre toma una polaridad, positiva o negativa, mientras que un 0 vale siempre 0.

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PolaresEn este caso la seal tomara valores positivos para un 1 lgico y negativos para un cero lgico pero nunca toma el valor 0.

BipolaresEn este caso un digito toma valor con polaridad alternada mientras que el otro permanece siempre en cero.

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Transmisin en banda baseEs utilizada para transmisiones de cortas distancias debido a su bajo costo. En este caso el MODEM no efecta modulacin alguna sino que solo las codifica. Los datos se codifican para solucionar los siguientes aspectos inherentes a la banda base: Disminuir la componente continua Proveer sincronismo entre transmisor y receptor Permitir detectar la presencia de la seal en la lnea

Es posible utilizar banda base en redes LAN y en otro tipo de redes siempre y cuando no se emplee la red publica de comunicaciones.

Caractersticas de la transmisin en banda base La seal mas simple que se emplea es la NRZL (Non Return to Zero Level). La seal no retorna a 0 y el pulso de tensin tiene la duracin de 1bit. Generalmente un 1 lgico es un pulso de tensin mientras que un 0 lgico es la ausencia de dicho pulso de tensin. Tcnicamente se las conoce como seales on/off y las mismas tienen un alto valor de componente continua. La mayor parte de la potencia transmitida se encuentra en las primeras armnicas puesto que el desarrollo de la serie de Fourier da un espectro de la forma sen(x) / x.

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Codificacin La codificacin en banda base debe ser considerada como una disposicin diferente de los bits de la seal on/off a fin de adaptar la misma al sistema de transmisin utilizado.

Tipos de Codificacin Los cdigos que son usados son: NRZ

RZ Codificacin diferencial Cdigo Manchester Cdigo Manchester Diferencial Cdigo HDB3

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Mtodos de Acceso al medioPor Mtodo de acceso mltiple se entiende la habilidad de que muchas estaciones satelitales puedan interconectar simultneamente sus enlaces de voz, data y video a travs de un satlite.

Clsicamente hay cuatro tcnicas de acceso: Acceso Mltiple por Divisin de Frecuencia (FDMA) Acceso Mltiple por Divisin de Tiempo (TDMA) Acceso Mltiple por Divisin de Cdigo (CDMA) Combinacin de FDMA y TDMA: MF-TDMA

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Acceso Mltiple por divisin de FrecuenciaEl FDMA es un sistema de acceso mltiple en el cual cada estacin tiene asignada una frecuencia permanente con su ancho de banda respectivo. La capacidad de trafico esta limitada al ancho de banda asignado y al C/N que puede obtener en el enlace de bajada (downlink). Las frecuencias y sus anchos de banda respectivos constituyen el plan de frecuencias satelital. La limitacin mas grande que se da en este tipo de acceso es que al operar con muchas portadoras, el amplificador del satlite puede entrar a trabajar en la zona no lineal originando productos de intermodulacin y distorsin de intermodulacin, la nica forma de evitar esto es reduciendo el nivel de entrada.

Acceso Mltiple por divisin de TiempoEl TDMA es un mtodo usado para permitir a mltiples estaciones satelitales o terminales VSAT transmitir intermitentemente en la misma frecuencia pero teniendo asignados tiempos (Timeslots) de tal manera que los slots transmitidos no colisionen al llegar al satlite, sino que lo hagan en forma sucesiva y que de esta forma sean recibidas exitosamente en el Telepuerto por el demodulador de Burst.

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Acceso Mltiple por divisin de CdigoEl CDMA es un esquema de acceso mltiple bajo el cual un numero de estaciones ocupan todo el ancho de banda del transponder en todo momento. Las seales estn codificadas de tal modo que la informacin de una estacin en particular puede ser detectada y recuperada solo por una estacin debidamente sincronizada que conoce el cdigo que esta siendo usado. Esto determina tener una red satelital descentralizada en cuanto solo el par de estaciones involucradas necesitan coordinar sus transmisiones. La tcnica de transmisin descrita es la llamada Spread Spectrum (SS) o de Espectro Ensanchado.

Tcnicas de Acceso al MedioFDMA TDMA

Power Power

CDMA

Power

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Bibliografia Leon W. Couch II, Sistemas de comunicaciones Digitales y Analogicos, 1998. Giovanni Giambene, resource Management in Satellite Networks, Diciembre 2007.

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