Curso: Interpretacin de Procesos

Industriales Docente: Ingeniero Alfredo Alamos Cortes-U. de Chile

Contenido : Componentes en un Sistema de Comunicaciones

Transferencia de informacin de un lugar a otro lugar.

Debe ser : eficiente confiable segura

Definicin: Componentes o subsistemas que permiten la

transferencia / intercambio de informacin.

Periodo de descubrimiento/desarrollo 1870-1880 Telfono, micrfono, CRT (tubo de rayos catdicos) 1890-1900 Seales de radio, telegrafa inalmbrica 1900-1920 Amplificador de radio AM (Amplitud Modulada) 1920-1930 Radar, cable coaxial 1930-1940 Radio FM (Frecuencia Modulada), Televisin 1940-1950 Transistor 1950-1960 Lser 1960-1970 Comunicacin por satlites 1970-1990 Transmisin espacial, RDSI (Red Digital de Servicios Integrados), comunicaciones personales

Para entrar en el mundo de las comunicaciones necesitamos conocer:

La representacin matemtica de las seales elctricas.

Las modificaciones que sufren estas seales para poder ser transmitidas.

Los posibles medios de transmisin.

Los problemas bsicos de los sistemas de comunicaciones y como solucionarlos.

El transductor es el encargado de convertir cualquiera los mensajes en una seal elctrica equivalente (voltaje o corriente).

Segn la ISA (Instrument Society of America): "Un transductor es un dispositivo que proporciona una salida utilizable en respuesta a una medicin especfica".

La medicin es "una cantidad, propiedad o condicin fsica medible". La salida es "la cantidad elctrica producida por el transductor, la cual es funcin de la medicin aplicada". Como ejemplos de transductores de entrada se pueden mencionar: micrfonos, transductores de presin, humedad, temperatura, posicin, etc.

Adapta el mensaje ya convertido en seal elctrica al medio de transmisin. Esta adaptacin por lo general implica un proceso de modulacin el cual consiste en alterar algn elemento de una seal fija, llamada portadora, de acuerdo a las variaciones del mensaje.

La clasificacin ms general de los mtodos de modulacin depende del tipo de portadora utilizada. As se tiene:

a) Modulacin de onda continua: si la portadora es una sinusoide. b) Modulacin discreta en tiempo o de pulsos: si la portadora es un tren peridico de pulsos. El objetivo fundamental de la modulacin es acoplar el mensaje al medio de transmisin ya que:

En el proceso de conversin de la forma anloga a la forma digital y viceversa aparecen tres trminos matemticos o lgicos bsicos:

el muestreo, la cuantizacin y la codificacin. El muestreo es el proceso de tomar medidas instantneas de una seal anloga

cambiante en el tiempo, tal como la amplitud de una forma de onda compleja. La informacin muestreada permite reconstituir ms o menos una representacin de la forma de onda original.

Sin embargo, si las muestras son relativamente escasas (o infrecuentes), la informacin entre las muestras se perder. El teorema de muestreo o Teorema de Nyquist establece que es posible capturar toda la informacin de la forma de onda si se utiliza una frecuencia de muestreo del doble de la frecuencia ms elevada contenida en la forma de onda. En los sistemas telefnicos la velocidad de muestreo ha sido establecida a 8000 muestras por segundo.

El teorema demuestra que la reconstruccin exacta de una seal peridica continua en banda base a partir de sus muestras, es matemticamente posible si la seal est limitada en banda y la tasa de muestreo es superior al doble de su ancho de banda.

http://es.wikipedia.org/wiki/Onda_peri%C3%B3dica

La cuantizacin es el siguiente proceso para la reduccin de la seal anloga compleja; ste permite aproximar la muestra a uno de los niveles de una escala designada. Por ejemplo, tomando una escala cuyos valores mximo y mnimo son quince y cero, respectivamente, y el rango est dividido en 16 niveles, las muestras tendrn que ser aproximadas a uno de estos niveles.

PCM, Modulacin por Codificacin de Pulsos Se basa como la anterior en el teorema de muestreo: Si una seal f(t) se muestrea a intervalos regulares de tiempo con una frecuencia mayor que el doble de la frecuencia significativa ms alta de la seal, entonces las muestras as obtenidas contienen toda la informacin de la seal original. La funcin f(t) se puede reconstruir a partir de estas muestras mediante la utilizacin de un filtro paso - bajo. Es decir, se debe muestrear la seal original con el doble de frecuencia que ella, y con los valores obtenidos, normalizndolos a un nmero de bits dado (por ejemplo, con 8 bits habra que distinguir entre 256 posibles valores de amplitud de la seal original a cuantificar) se ha podido codificar dicha seal.

En la codificacin analgica - digital, estamos representando la

informacin contenida a partir de una serie de pulsos digitales

(1s 0s).

La estructura de la seal traducida no es el problema. En su

lugar el problema es como hacer pasar informacin de un

nmero de valores infinitos a un nmero de valores limitados

sin sacrificar la calidad.

El primer paso en la codificacin analgica - digital se llama PAM. Esta tcnica recoge informacin anloga, la muestra ( la prueba), y genera una serie de pulsos basados en los resultados de la prueba. El trmino prueba se refiere a la medida de la amplitud de la seal a intervalos iguales. El mtodo de prueba usado en PAM es ms eficaz en otras reas de ingeniera que en la comunicacin de datos (informtica). Aunque PAM est en la base de un importante mtodo de codificacin analgica - digital llamado modulacin de cdigo de pulso (PCM). En PAM, la seal original se muestra a intervalos iguales como lo muestra la figura 2. PAM usa una tcnica llamada probada y tomada. En un momento dado el nivel de la seal es ledo y retenido brevemente. El valor mostrado sucede solamente de modo instantneo a la forma actual de la onda, pero es generalizada por un periodo todava corto pero medible en el resultado de PAM

El motivo por el que PAM sea ineficaz en comunicaciones es por

que aunque traduzca la forma actual de la onda a una serie de

pulsos, siguen teniendo amplitud (pulsos)(todava seal analgica

y no digital). Para hacerlos digitales, se deben de modificar usando

modulacin de cdigo de pulso (PCM)

PCM modifica los pulsos creados por PAM para crear una seal completamente digital. Para hacerlo, PCM, en primer lugar, cuantifica los pulsos de PAM. La cuantificacin es un mtodo de asignacin de los valores ntegros a un rango especfico.

PCM se construye actualmente a travs de 3 procesos separados: PAM, cuantificacin, codificacin digital-digital.

PCM es el mtodo de prueba usado para digitalizar la voz en la transmisin de lnea-T en los sistemas de telecomunicaciones en Amrica del Norte.

PCM (PULSE CODE MODULATION) Modulacin por cdigo de impulsos.-

Es un proceso digital de modulacin para convertir una seal analgica en un cdigo digital. La seal analgica se muestrea, es decir, se mide peridicamente. En un convertidor analgico/digital, los valores medidos se cuantifican, se convierten en un nmero binario y se descodifican en un tren de impulsos. Este tren de impulsos es una seal de alta frecuencia portadora de la seal analgica original.

PCM BINARY CODE Cdigo binario PCM.-

Un cdigo de impulsos en el que los valores cuantificados son identificados por nmeros tomados en orden. Este trmino no debe emplearse para transmisin por lneas.

PCM MULTIPLEX EQUIPMENT Equipo mltiplex PCM.-

Un equipo para derivar una seal digital simple, a una velocidad de dgitos definida, de dos o ms canales analgicos mediante una combinacin de modulacin por cdigo de impulsos y un multiplexado por divisin de tiempo (multiplexor) y tambin para realizar la funcin inversa (demultiplexor). La descripcin debe ir seguida de una velocidad de dgitos binarios equivalente; p. ej., equipo mltiplex PCM de 2.048 kbit/s.

Es el lazo entre el transmisor y el receptor. Pueden ser lneas de transmisin, el aire, fibras pticas, etc. Como uno de los medios de transmisin ms utilizados es el aire, donde se transmite a travs de ondas electromagnticas, es importante organizar y asignar bandas de transmisin para los diversos usos que estn estandarizadas para poder comunicarse con cualquier parte del mundo. Esta coordinacin la ofrece una agencia de las Naciones Unidas llamada Unin Internacional de Telecomunicaciones (International Telecommunications Union o ITU).

1.- Si el medio de transmisin es el aire se necesitan antenas de transmisin y recepcin que deben tener al menos un tamao de /4 ( es la longitud de onda de la seal) para que la radiacin sea eficiente. Pero es inversamente proporcional a la frecuencia, por lo tanto si la seal a transmitir es de baja frecuencia (como en general lo son las seales producidas por el hombre) se necesitaran antenas de dimensiones colosales. Ms adelante se demostrar que la modulacin permite trasladar en frecuencia los mensajes a transmitir y por lo tanto es posible utilizar radiadores de menores dimensiones. Esto tambin permite asignar canales de transmisin como es el caso de radiodifusin y TV.

2.- Si el medio de transmisin es un cable coaxial, por ejemplo, tambin se puede lograr el multiplexaje; es decir, se pueden enviar varios mensajes simultneamente utilizando el principio de modulacin. 3.- Algunos mtodos de modulacin fortalecen la transmisin frente al ruido. Un ejemplo de esto es modulacin en frecuencia FM (Frecuencia Modulada). Aparte de modular, el transmisor puede efectuar otras modificaciones. Por ejemplo se puede utilizar una clave que proteja la privacidad de la comunicacin. Tambin se puede comprimir o expandir el mensaje previo a la transmisin.

Para cada banda de frecuencias, es importante conocer que existen estructuras fsicas apropiadas para enviar seales a travs de ellas. Por ejemplo, la zona inferior a los 300 KHz permite utilizar cables paralelos. Por encima de esta frecuencia se comienza a preferir el cable coaxial; ste comienza a tener prdidas muy grandes y problemas de radiacin alrededor de los GHz. A partir de esta banda se aplican guas de ondas conductoras. Solo para frecuencias pticas se emplean las conocidas fibras pticas, que no son ms que guas de ondas dielctricas. Asimismo, dentro de cada banda existen normas internacionales y locales para la asignacin de cada una de las frecuencias. Por ejemplo Radiodifusin AM (Amplitud Modulada) se ubica en la banda de 540 a 1600 KHz. Radiodifusin FM (Frecuencia Modulada) en la banda de 88 a 108 MHz. Canales de televisin 2 al 6 entre 54 a 88 MHz.

a) Atenuacin: Reduce el valor de la seal y puede hacerla tan pequea como el ruido y perderla en ste. b) Distorsin: Es el resultado de la respuesta imperfecta de un sistema a la seal misma. En la prctica se disea tratando siempre de minimizarlo. c) Interferencia: Es la contaminacin debida a seales externas de la misma naturaleza que el mensaje que queremos transmitir. d) Ruido: Son seales aleatorias impredecibles en el tiempo, por ejemplo si un electrn se encuentra a una temperatura diferente al cero absoluto tendr una energa trmica que se manifestar con movimientos aleatorios; y si el medio donde se encuentra el electrn es conductor se producir un voltaje aleatorio conocido como ruido trmico. Obviamente es inevitable en cualquier sistema, sin embargo se puede tratar de minimizar.

(Longitud de onda) Designacin Servicio

30 300 Hz 104 103 Km ELF(Extremely Low Frequency) Comunicaciones submarinas

0.3 3 KHz 103 102 Km VF(Voice Frequency) Terminales de datos, telefona

3 30 KHz 100 10 Km VLF(Very Low Frequency) Navegacin, telegrafa, telefona

30 300 KHz 10 1 Km LF(Low Frequency) Aeronutica, navegacin long range

0.3 3 MHz 1 Km 100 m MF(Medium Frequency) Radiodifusin AM, seguridad pblica

3 30 MHz 100 10 m HF(High Frequency) Comunicaciones militares, banda ciudadana

30 300 MHz 10 1m VHF(Very High Frequency) TV (VHF), FM, transporte terrestre

0.3 3 GHz 1 m 10 cm UHF(Ultra High Frequency) TV (UHF), telemetra espacial, radar

3 30 GHz 10 1 cm SHF(Super High Frequency) Comunicaciones espaciales, satlites, microondas

30 300 GHz 1 cm 1 mm EHF(Extremely High Frequency) Investigaciones, radio astronoma

1014 1016 Hz Ultravioleta, Visible Infrarrojo Comunicaciones pticas

Tiene como funcin rescatar la seal del medio de transmisin y realizar las operaciones inversas del transmisor con la finalidad de obtener el mensaje. Por lo dicho anteriormente para el modulador, la principal labor del receptor es la demodulacin. Esto implica que debe existir un acuerdo absoluto entre transmisor y receptor en cuanto al tipo de funciones que cada uno debe realizar de forma de que cada operacin sea equivalente para no haber alterado el mensaje original.

Normalmente el destino de las transmisiones es el hombre o una mquina, por lo tanto es necesario convertir la seal elctrica en un mensaje adecuado para ellos. Como ejemplos tenemos: un altavoz, una pantalla,

etc.

Existen herramientas que permiten trabajar con sistemas de comunicaciones elctricas en el dominio del tiempo y de la frecuencia. Como ejemplo de herramientas temporales tenemos la convolucin y la respuesta al impulso de seales determinsticas, continuas y discretas. Las transformadas de Fourier para seales determinsticas, continuas y discretas, ofrecen un mecanismo diferente y, en muchos casos, ms til que las herramientas temporales. Todas estas herramientas permiten encontrar la respuesta de un sistema a una seal especfica; tambin permiten calcular parmetros para caracterizar las seales y los sistemas: potencia, ancho de banda, relacin seal a ruido, BER (Bit Error Rate), etc.

Monitoreo: se puede realizar observacin a travs de instrumentos de medicin de forma ms sencilla que al de seales anlogas.

Regeneracin: con la utilizacin de repetidores o regeneradores entre el transmisor y el receptor, se puede evitar que la seal se degrade ms all de ciertos valores preestablecidos.

Integracin de mltiples servicios: la comunicacin digital permite transmitir datos, imgenes, voz, video y cualquier tipo de mensaje que pueda digitalizarse.

Sealizacin: permite a los sistemas de comunicaciones digitales incorporar fcilmente al mensaje instrucciones que hagan las veces de seales de control para ser interpretadas por el receptor.

Multiplexado: es posible transmitir distintos mensajes compartiendo el mismo medio de transmisin.

Conmutacin: puede comunicar dos dispositivos utilizando la misma infraestructura de comunicaciones, sin necesidad de estar conectados permanentemente.

Deteccin de errores: se pueden detectar alteraciones, recurriendo al control de paridad o por medio de la comprobacin por redundancia cclica.

Correccin de errores: a travs de la aplicacin de algn mtodo de correccin de errores.

Criptografa: en muchas aplicaciones resulta necesario modificar el mensaje para que solo pueda ser entendido por el destinatario autorizado.