TRANSMISION DE SEÑALES EN EL ESPACIO RADIOELECTRICO TRANSMISION DE SEÑALES - Prof. Vicente...

TRANSMISION DE SEÑALES EN EL ESPACIO RADIOELECTRICO

TRANSMISION DE SEÑALES - Prof. Vicente Capitani

TRANSMISION DE SEÑALES : MODULO II

Las señales en telecomunicaciones se transmiten de un dispositivo a otro en forma de energía electromagnética. Las señales electromagnéticas pueden viajar a través del vacío, el aire u otros medios de transmisión.En este Modulo se tratara con cierto nivel de detalle la transmisión de señales de telecomunicaciones a través del espacio radioeléctrico.Para ello es conveniente definir lo que se entiende como espacio radioeléctrico.La siguiente es una representación grafica del mismo:



La energía electromagnética, una combinación de campos eléctricos y magnéticos vibrando entre sí, comprende a la corriente eléctrica alterna, las señales eléctricas de voz, a las ondas de radio, a la luz infrarroja, a la luz visible, a la luz ultravioleta y a los rayos X, gamma y cósmicos. Cada uno de ellos constituye una porción del espectro electromagnético según la figura anterior.Sin embargo, no todas las porciones del espectro se pueden usar realmente para las telecomunicaciones y los medios para conducir aquellas que son utilizables están limitados a una porción reducida del mismo.Por ello es conveniente entender este concepto básico: el espectro radioeléctrico en telecomunicaciones es finito



Las frecuencias en la banda de voz se transmiten generalmente en forma de corrientes a través de hilos de metal, como los pares trenzados o los cables coaxiales. Las radiofrecuencias pueden viajar a través del aire o del espacio, pero necesitan mecanismos específicos de transmisión y recepción. La luz visible, el tercer tipo de energía electromagnética que se usa actualmente para las telecomunicaciones, se conduce usando un cable de fibra óptica.Los medios de transmisión se pueden dividir en dos grandes categorías: guiados y no guiados:



Los medios no guiados, o comunicaciones sin cable, transportan ondas electromagnéticas sin usar un conductor físico. En su lugar, las señales se radian a través del aire..La sección del espectro electromagnético definido como comunicación de radio se divide en ocho rangos, denominados bandas, cada una de ellas reguladas por las autoridades gubernamentales de cada país. Estas bandas se clasifican desde frecuencia muy baja (VLF, Very LowFrequency) a frecuencia extremadamente alta (EHF, Extremely High Frequency). La Figura siguiente muestra las ocho bandas y sus acrónimos:



La transmisión de ondas de radio utiliza cinco tipos de propagación distintos: superficie, troposférica, ionosférica, línea de visión y espacio :



La tecnología de radio considera que la tierra está rodeada por dos capas de atmósfera: la tropósfera y la ionosfera. La troposfera es la porción de la atmósfera que se extiende hasta aproximadamente 45 km desde la superficie de la tierra (en terminología de radio, la troposfera incluye una capa de máxima altitud denominada estratosfera) y contiene aquelloen lo que nosotros generalmente pensamos como el aire. Las nubes, el viento, las variaciones de temperatura y el clima en general ocurren en la troposfera. La ionosfera es la capa de atmósfera por encima de la troposfera pero pordebajo del espacio. Está más allá de lo que nosotros denominamos atmósfera y contiene partículas libres cargadas eléctricamente (de aquí el nombre).



Propagación en superficie. En la propagación en superficie, las ondas de radio viajan a través de la porción más baja de la atmósfera, abrazando a la tierra. A las frecuencias más bajas (menos de 2 MHz), las señales emanan en todas las direcciones desde la antena de transmisión y sigue la curvatura del planeta. La distancia depende de la potencia en la señal: cuanto mayor es la potencia, mayor es la distancia. La propagación en superficie también puede tener lugar en el agua del mar.



Propagación troposférica. La propagación troposférica puede actuar de dos formas. Obien se puede dirigir la señal en línea recta de antena a antena (visión directa) o se puede radiar con un cierto ángulo hasta los niveles superiores de la troposfera donde se refleja hacia la superficie de la tierra. El primer método necesita que la situación del receptor y eltransmisor esté dentro de distancias de visión, limitadas por la curvatura de la tierra en relación a la altura de las antenas. El segundo método permite cubrir distancias mayores.



Propagación ionosférica. En la propagación ionosférica, las ondas de radio de más alta frecuencia (2 a 30 MHz) se radian hacia la ionosfera donde se reflejan de nuevo hacia latierra. La densidad entre la troposfera y la ionosfera hace que cada onda de radio se acelere y cambie de dirección, curvándose de nuevo hacia la tierra. Este tipo de transmisión permite cubrir grandes distancias con menor potencia de salida



Propagación por visión directa. En la propagación por visión directa, se transmiten señales de muy alta frecuencia (mas de 30 MHz) directamente de antena a antena siguiendouna línea recta. Las antenas deben ser direccionales, estando enfrentadas entre sí, y o bienestán suficientemente altas o suficientemente juntas para no verse afectadas por la curvatura de la tierra. La propagación por visión directa es compleja porque las transmisiones deradio no se pueden enfocar completamente. Las ondas emanan hacia arriba y hacia abajo así como hacia delante y pueden reflejar sobre la superficie de la tierra o partes de la atmósfera. Las ondas reflejadas que llegan a la antena receptora más tarde que la porción directa de la transmisión puede corromper la señal recibida.



Propagación por el espacio.La propagación por el espacio utiliza como retransmisor satélites en lugar de la refracción atmosférica. Una señal radiada es recibida por un satélitesituado en órbita, que la reenvía de vuelta a la tierra para el receptor adecuado.La transmisión vía satélite es básicamente una transmisión de visión directa con un intermediario (el satélite). La distancia al satélite de la tierra es equivalente a una antena de súper alta ganancia e incrementa enormemente la distancia que puede ser cubierta por una señal.



Propagación de señales específicasEl tipo de propagación que se usa en la radio-transmisión depende de la frecuencia de la señal. Cada frecuencia es adecuada para una capa específica de la atmósfera y es más eficiente si se transmite y se envía con tecnologías adaptadas a la capa.



VLF. Las ondas de frecuencia muy baja (VLF, Very Low Frequency) se propagan como ondas de superficie, habitualmente a través del aire, pero algunas veces a través del agua del mar. Las ondas VLF no sufren mucha atenuación debido a la transmisión, pero sonsensibles a los altos niveles de ruido atmosférico (calor y electricidad) activo en bajas altitudes.Las ondas VLF se usan principalmente para radio-navegación de largo alcance y para comunicación submarina



LF. De forma similar al VLF, las ondas de baja frecuencia (LF, Low Frequency) se propagan también como ondas de superficie. Las ondas LF se usan para radio-navegación de largo alcance y para las radio balizas o localizadores de navegación. La atenuación es mayor durante el día, cuando se incrementa la absorción de las ondas por los obstáculos naturales.



MF. Las señales de frecuencia media (MF, Middle Frequency) se propagan en la troposfera. Estas frecuencias son absorbidas por la ionosfera. Por tanto, la distancia quepueden cubrir está limitada por el ángulo necesario para reflejar la señal en la troposfera sin entrar en la ionosfera. La absorción se incrementa durante el día, pero la mayoría de lastransmisiones MF se efectúan con antenas de visión directa para incrementar el control y evitar también los problemas de absorción. Los usos de las transmisiones MF incluyen radio AM, radio marítima, buscadores audio direccionales (RDF) y frecuencias de emergencia:




HF. Las señales de frecuencia alta (HF, High Frequency) usan propagación ionosférica.Estas señales se desplazan dentro de la ionosfera, donde la diferencia de densidad las refleja de nuevo hacia la tierra. Los usos de señales HF incluyen los radioaficionados (ham radio),la radio de bandas de ciudadanos (CB), las emisiones internacionales, comunicaciones militares, comunicación de larga distancia para aviones y barcos, teléfonos, telégrafos y faxes



VHF. La mayoría de las ondas de frecuencia muy alta (VHF, Very High Frequency) usan propagación de visión directa. Los usos del VHF incluyen la televisión VHF, la radio FM, la radio AM de los aviones y la ayuda de navegación de los aviones:



VHF. La mayoría de las ondas de frecuencia muy alta (VHF, Very High Frequency) usan propagación de visión directa. Los usos del VHF incluyen la televisión VHF, la radio FM, la radio AM de los aviones y la ayuda de navegación de los aviones



UHF. Las ondas de frecuencia ultra alta (UHF, Ultra High Frequency) siempre se usan en propagación de visión directa. Los usos para el UHF incluyen la televisión UHF, los teléfonos móviles, la radio celular, los buscadores y los enlaces de microondas. Observe que la comunicación con microondas comienzan en la frecuencia 1GHz de la banda UHF y continúa hasta las bandas SHF y EHF.



SHF. Las ondas de frecuencia superalta (SHF, Super High Frequency) se transmiten usando principalmente propagación por visión directa y algo de propagación espacial. Los usos del SHF incluyen las microondas terrestres y satélite y la comunicación del radar:



EHF. Las ondas de frecuencia extremadamente alta (EHF, Extremely High Frequency) usan la propagación espacial. Los usos para el EHF son predominantemente científicos e incluyen radar, satélite y comunicaciones experimentales:



El mundo de las comunicaciones está basado en la transmisión de información mediante ondas electromagnéticas entre un emisor y un receptor. Fundamentalmente podemos dividir esta transmisión en dos tipos fundamentales:

· A través de un cable o guía de ondas.· Radiación de OEM a través del aire, el espacio libre o de un medio dieléctrico.

La búsqueda de canales con baja atenuación y la necesidad de enviar señales con un ancho de banda cada vez mayor ha hecho que las guías de onda jueguen un papel cada vez más importante en del conjunto de medios físicos para la comunicación. La televisión por cable, la telefonía, Internet, etc. obligan a un uso cada vez mayor de guías de onda, en particular de fibras ópticas.



Las microondas terrestres no siguen la curvatura de la tierra y por tanto necesitan equipo de transmisión y recepción por visión directa. La distancia que se puede cubrir con una señal por visión directa depende principalmente de la altura de la antena: cuanto mas altas sean las antenas, más larga es la distancia que se puede ver. La altura permite que la señal viaje más lejos sin ser interferida por la curvatura del planeta y eleva la señal por encima de muchos obstáculos de la superficie, como colinas bajas y edificios altos que de otra formabloquearían la transmisión. Habitualmente, las antenas se montan sobre torres que a su vez están construidas sobre colinas o montañas



Las señales de microondas se propagan en una dirección concreta, lo que significa que hacen falta dos frecuencias para una comunicación en dos sentidos, como por ejemplo una conversación telefónica. Una frecuencia se reserva para la transmisión por microondas enuna dirección y la otra para la transmisión en la otra. Cada frecuencia necesita su propio transmisor y receptor. Actualmente, ambas partes del equipo se combinan habitualmente en un equipo denominado transceptor, lo que permite usar una única antena para dar servicio aambas frecuencias y funciones.



Repetidores

Para incrementar la distancia útil de las microondas terrestres, se puede instalar un sistema de repetidores con cada antena. La señal recibida por una antena se puede convertir de nuevo a una forma transmisible y entregarla a la antena siguiente.La distancia mínima entre los repetidores varía con la frecuencia de la señal y el entorno en el cual se encuentran las antenas. Un repetidor puede radiar la señal regenerada a la frecuencia original o con una nueva frecuencia, dependiendo del sistema.Las microondas terrestres con repetidores constituyen la base de la mayoría de los sistemas de telefonía contemporánea alrededor del mundo



AntenasPara las comunicaciones con microondas terrestres se usan generalmente antenas de tipo parabólico:



Una antena parabólica se basa en la geometría de una parábola: cada línea paralela a la línea de simetría (línea de vista) refleja la curva en ángulos tales que inciden en un punto común denominado foco.El plato parabólico funciona como un embudo, capturando un amplio rango de ondas y dirigiéndolas a un punto común. De esta forma, se recupera más señal de lo que sería posible con un receptor de punto único.



SatéliteLas transmisiones vía satélite se parecen mucho más a las transmisiones con microondas por visión directa en la que las estaciones son satélites que están orbitando la tierra. El principio es el mismo que con las microondas terrestres, excepto que hay un satélite actuando como una antena súper alta y como repetidor.Aunque las señales que se transmiten vía satélite siguen teniendo que viajar en línea recta.De esta forma, los satélites retransmisores permiten que las señales de microondas se puedan transmitir a través de continentes y océanos con un único salto.



Satélites geosincrónicosLa propagación por línea de vista necesita que las antenas emisoras y receptoras estén fijas/estáticas con respecto a la localización de las demás en todo momento (una antena debe poder ver a la otra). Por esta razón, un satélite que se mueve más deprisa o más despacio que la rotación de la tierra es útil únicamente para periodos de tiempo cortos. Para asegurar una comunicación constante, el satélite debe moverse a la misma velocidad que la tierra de forma que parezca que está fijo en un cierto punto. Estos satélites se llaman geosincrónicos o geoestacionarios



Debido a que la velocidad orbital depende de la distancia desde el planeta, solamente hay una órbita que puede ser geosincrónica. Esta órbita se produce en el plano ecuatorial y está aproximadamente a 36.000 kilómetros de la superficie de la tierra.Pero un único satélite geosincrónico no puede cubrir toda la tierra. Un satélite en órbita tiene contacto por línea de vista con un gran número de estaciones, pero la curvatura de la tierra sigue haciendo que gran parte del planeta todavía no se pueda ver. Por ello, es necesario tener un mínimo de tres satélites equidistantes entre sí en órbita geosincrónica para proporcionar una transmisión global completa.La figura anterior muestra a tres satélites separados 120 grados entre sí en una órbita geosincrónica alrededor del ecuador. Es una vista desde el Polo Norte.



Una señal analógica es un tipo de señal generada por algún tipo de fenómeno electromagnético y que es representable por una función matemática continua en la que es variable su amplitud y periodo en función del tiempo. Algunas magnitudes físicas comúnmente portadoras de una señal de este tipo son eléctricas como la intensidad, la tensión y la potencia.En la naturaleza el conjunto de señales que percibimos son analógicas, así la luz, el sonido, la energía etc., son señales que tienen una variación continua..Una onda senoidal es una señal analógica de una sola frecuencia. Los voltajes de la voz y del video son señales analógicas que varían de acuerdo con el sonido o variaciones de la luz que corresponden a la información que se está transmitiendo.



Señal eléctrica analógicaSeñal eléctrica analógica es aquella en la que los valores de la tensión o voltaje varían constantemente en forma de corriente alterna, incrementando su valor con signo eléctrico positivo (+) durante medio ciclo y disminuyéndolo a continuación con signo eléctrico negativo (–) en el medio ciclo siguiente.El cambio constante de polaridad de positivo a negativo provoca que se cree un trazado en forma de onda senoidal:



Las señales de cualquier circuito o comunicación electrónica son susceptibles de ser modificadas de forma no deseada de diversas maneras mediante el ruido, lo que ocurre siempre en mayor o menor medida. Para solucionar esto la señal suele ser acondicionada antes de ser procesada.La gran desventaja respecto a las señales digitales es el ruido en las señales analógicas: cualquier variación en la información es de difícil recuperación, y esta pérdida afecta en gran medida al correcto funcionamiento y rendimiento del dispositivo analógico. Por ejemplo una computadora no tiene capacidad alguna para trabajar con señales analógicas, de modo que necesita convertirlas en señales digitales para poder trabajar con ellas.



Modulación engloba el conjunto de técnicas que se usan para transportar información sobre una onda portadora, típicamente una onda sinusoidal. Estas técnicas permiten un mejor aprovechamiento del canal de comunicación lo que posibilita transmitir más información en forma simultánea además de mejorar la resistencia contra posibles ruidos e interferencias.Básicamente, la modulación consiste en hacer que un parámetro de la onda portadora cambie de valor de acuerdo con las variaciones de la señal moduladora, que es la información que queremos transmitir.Dependiendo del parámetro sobre el que se actúe, tenemos los distintos tipos de modulación



Frecuencia portadoraUna frecuencia portadora es una onda electrónica combinada con la señal de información y que se transporta por el canal de comunicaciones.1

El uso de una onda portadora también soluciona muchos otros problemas de circuito, antena, propagación y ruido. Por ejemplo, una antena práctica debe tener un tamaño aproximado al de la longitud de onda de la onda electromagnética de la señal que se va a transmitir. Si las ondas de sonido se difundieran en frecuencias audibles, la antena tendría que tener más de un kilómetro de altura. Usando frecuencias mucho más altas para la portadora, el tamaño de la antena se reduce significativamente porque las frecuencias más altas tienen longitudes de ondas más cortas.

http://es.wikipedia.org/wiki/T%C3%A9cnicas_de_modulaci%C3%B3n#cite_note-FRI-0



Técnicas de modulación básicas

Uno de los objetivos de las comunicaciones es utilizar una frecuencia portadora como frecuencia básica de una comunicación, pero modificándola siguiendo un proceso denominado modulación para codificar la información en la onda portadora.Tres aspectos de la onda portadora básica que se pueden modular son:a) Amplitudb) Frecuenciac) Fase o ánguloLas tres técnicas de modulación básica son:Modulación en Amplitud (AM o amplitud modulada).Modulación en Frecuencia(FM o frecuencia modulada).Modulación en Fase(PM o fase modulada).



Amplitud modulada Amplitud modulada (AM) o modulación de amplitud es un tipo de modulación lineal que consiste en hacer variar la amplitud de la señal portadora de forma que esta cambie de acuerdo con las variaciones de nivel de la señal que contiene la información que se desea transmitir, llamada señal moduladora o modulante.Una gran ventaja de AM es que su demodulación es muy simple y, por consiguiente, los receptores son sencillos y baratos. Otras formas de AM como la modulación por Banda Lateral Única o la doble Banda Lateral son más eficientes en ancho de banda o potencia pero en contrapartida los receptores y transmisores son más caros y difíciles de construir, ya que además deberán reinsertar la portadora para conformar la AM nuevamente y poder demodular la señal trasmitida.La AM es usada en la radiofonía, en las ondas medias, ondas cortas, e incluso en la VHF



Al considerar la señal moduladora (señal del mensaje) como:

y la Señal portadora como:

La ecuación de la señal modulada en AM es la siguiente:

S(t) =Señal Moduladafn(t)=Señal moduladora normalizada con respecto a su amplitud =

m= Índice de modulación (suele ser menor que la unidad)=



Básicamente, se trata de multiplicar el mensaje a transmitir por la portadora cosenoidal y, a su vez, sumarle esa portadora cosenoidal. El espectro en frecuencias de la señal quedará trasladado a ωc radianes por segundo, tanto en la parte positiva del mismo cómo en la negativa, y su amplitud será, en ambos casos, el producto de la señal moduladora por la amplitud de la portadora, sumado a la amplitud de la portadora, y dividido por dos. El resultado se aprecia en la siguiente imágen:



Existen dos posibilidades para la demodulación de una señal modulada f(t) en AM. La primera de ellas, la más simple, es sólo posible en caso de que se cumpla la condición siguiente:

En este supuesto, la envolvente de la señal modulada, esto es es siempre positiva y para recuperar la señal moduladora es suficiente con que un receptor capte dicha envolvente. Esto se consigue con un simple circuito rectificador con carga capacitiva



La otra opción para la demodulación de la señal modulada en AM es utilizar el mismo tipo de demodulación que se usa en las otras modulaciones lineales. Se trata del demodulador coherente. Para ello, es necesario conocer la frecuencia ωp de la portadora y, en ocasiones, también la fase, lo que requiere la utilización de un PLL (Phase Lock Loop). En este otro supuesto, no es necesario que el índice de modulación sea menor que la unidad, o lo que es lo mismo, no es necesario que la envolvente [1 + m·x(t)] sea siempre positiva.El demodulador coherente utiliza la siguiente propiedad matemática de la función coseno:



para multiplicar la función S(t) por la portadora:

A partir de esto, con un filtro pasa-bajo y un supresor de continua, se obtiene la señal f(t).



Frecuencia modulada

La Frecuencia Modulada (FM) o modulación de frecuencia es una modulación angular que transmite información a través de una onda portadora variando su frecuencia (contrastando esta con la Amplitud Modulada (AM), en donde la amplitud de la onda es variada mientras que su frecuencia se mantiene constante). En aplicaciones analógicas, la frecuencia instantánea de la señal modulada es proporcional al valor instantáneo de la señal moduladora. La frecuencia modulada es usada comúnmente en las de muy alta frecuencia por la alta fidelidad de la radiodifusión de la música el habla.El sonido de la televisión analógica también es difundido por medio de FM



Un ejemplo de Modulación de Frecuencia. El diagrama superior muestra la señal moduladora superpuestas a la onda portadora. El diagrama inferior muestra la señal modulada resultante.

MULTICANALIZACION O MULTIPLEXACION




Definición :

La Multicanalización o Multiplexación consiste en dividir de forma lógica un canal de transmisión en varios canales, lo cual permite enviar datos por "subcanales”.Es decir que esta tecnología permite que varios dispositivos o emisores de señales compartan un mismo canal de comunicaciones.Su aplicación como se vera es ampliamente empleada tanto en las telecomunicaciones como también en la industria de la radiodifusión.



Existen distintas formas de llevar a cabo la multiplexación (y su inverso, la demultiplexación).El siguiente infograma es ilustrativo al respecto:



MULTIPLEXACION POR DIVISION DE FRECUENCIA (FDM)

Se puede considerar a FDM como una técnica de multiplexación analógica; sin embargo, esto no significa que FDM no se pueda utilizar para combinar fuentes que envían señales digitales. Una señal digital se puede convertir a una señal analógica antes de que FDM se utilice para multiplexarlas.Esta manera de multicanalizar varias señales por un mismo vinculo fue ampliamente utilizado por ejemplo para la mayoría de los enlaces radioeléctricos de telecomunicaciones.No obstante se emplea también para sistemas de radiodifusión como puede observarse en la siguiente infografía:



La tecnología actual incluye medios de gran ancho de banda (BW), como el cable coaxial, la fibra óptica y las microondas terrestre y satelital. Cualquiera de estos medios tiene una capacidad que sobrepasa las necesidades medias para transmitir una señal.Para optimizar la utilización del medio de transmisión, se ha desarrollado la multiplexación, que es un conjunto de técnicas que permite la transmisión simultanea de múltiples señales a través de un único enlace:

TRANSMISION DE SEÑALES

RUIDO,PERDIDAS,INTERFERENCIAS




En cualquier sistema de comunicaciones se debe aceptar que la señal que se recibe diferirá de la señal transmitida debido a varias adversidades y dificultades sufridas en la transmisión. En las señales analógicas, estas dificultades pueden degradar la calidad de la señal. En las señales digitales. se generarán bits erróneos: un 1 binario se transformará en un 0 y viceversa.

Las dificultades más significativas son:· Ruidos· Distorsión por retardo· Atenuación



Para medir la potencia que una señal ha perdido o ganado, se usa el concepto de decibel. El decibel (dB) mide las potencias relativas de dos señales o de una señal en dos puntos distintos. El valor en dB es negativo si una señal se ha atenuado y positivo si una señal se ha amplificado.La expresión matemática del db es la siguiente:

dB=101og10(P2/P1)

donde P1 y P2 representan la potencia de la señal medidas en los puntos 1 y 2 del circuito de transmisión que se trate.



Imaginemos una señal que se inyecta en un medio de transmisión y que su potencia se reduce a la mitad. Esto significa que P2 = (1/2) P1 En este caso, la atenuación (pérdida de señal) se puede calcular como:

10 log10 (P2/P1) = 10 log10 (0.5 P2/P1) = 10 log10 (0.5) = 10 (-0.3) = -3 dB

Se puede observar que -3dB, o una pérdida de 3 dB, es equivalente a perder la mitad de potencia.Imaginemos ahora una señal que pasa a través de un amplificador y cuya potencia se incrementa 10 veces. Esto significa que P2 = 10 x P1 En este caso la amplificación (ganancia) se puede calcular como:

10 log10 (P2/P1) = 10 log10 (10 P2/P1) = 10 log10 (10) = 10 (1) = 10 dB



Una de las razones por la que se usan los decibeles para medir los cambios de potencia de una señal es que los números decibeles se pueden sumar (o restar) cuando se miden varios puntos en lugar de en dos (cascada). La figura muestra una señal que viaja una larga distancia desde el punto 1 al punto 4. La señal está atenuada para cuando alcanza el punto 2. Entre los puntos 2 y 3, se amplifica la señal. De nuevo, entre los puntos 3 y 4, la señal se atenúa. Se pueden obtener los dB resultantes para la señal sin más que sumar los dBmedidos entre cada par de puntos.En este caso, los decibeles se pueden calcular comodB = -3 + 7 - 3 = + l



En este caso, los decibeles se pueden calcular como: dB = -3 + 7 - 3 = + lLo que significa que la señal ha ganado potencia.



Existen aparte del dB otros tipos comúnmente utilizados en telecomunicaciones:dBW: La W indica que el decibelio hace referencia a vatios. Es decir, se toma como referencia 1 W (vatio). Así, a un vatio le corresponden 0 dBW.dBm: Cuando el valor expresado en vatios es muy pequeño, se usa el milivatio (mW). Así, a un mW le corresponden 0 dBm.dBu: El dBu expresa el nivel de señal en decibelios y referido a 0,7746 voltios.

0,7746 V es la tensión que aplicada a una Impedancia de 600 Ω desarrolla una potencia de 1 mW. Se emplea la referencia de una impedancia de 600 Ω por razones históricas.dBc: Nivel relativo entre una señal portadora (carrier) y alguno de sus armónicos.



RuidosPara cualquier dato transmitido, la señal recibida consistirá en la señal transmitida modificada por las distorsiones introducidas en la transmisión, además de señales no deseadas que se insertarán en algún punto entre el emisor y el receptor. A estas últimas señales no deseadas se les denomina ruido. El ruido es el factor de mayor importancia de entre los que limitan las prestaciones de un sistema de comunicación.La señal de ruido se puede clasificar en cuatro categorías:· Ruido térmico.· Ruido de intermodulación.· Diafonía.· Ruido impulsivo.



El ruido térmico se debe a la agitación térmica de los electrones. Está presente en todos los dispositivos electrónicos y medios de transmisión. Como su nombre indica, es función de la temperatura. El ruido térmico está uniformemente distribuido en el espectro de frecuencias usado en los sistemas de comunicación y es por esto por lo que a veces se denomina ruido blanco. El ruido térmico no se puede eliminar y, por tanto, impone un límite superior en las prestaciones de los sistemas de comunicación. Es especialmente dañino en las comunicaciones satelitales ya que, en estos sistemas, la señal recibida por las estaciones terrestres es muy débil. En cualquier dispositivo o conductor, la cantidad de ruido térmicopresente en un ancho de banda de 1 Hz es

N0 = kT (W/Hz)



Donde:N0= densidad de potencia del ruido, en vatios por 1 Hz de ancho de banda.K = constante de Boltzmann = 1,38 x 10-23 (J/K)T = temperatura absoluta, en grados Kelvin.

Ejemplo:A temperatura ambiente, es decir a T = 17 °C (290 K), la densidad de potencia de ruido térmico será entonces:

N0= (1.38 x 10-23) x 290 = 4 x 10-21 W/Hz = -204 dBW/Hz

Donde dBW corresponde a decibeles-watts.



Se supone que el ruido es independiente de la frecuencia. Así pues, el ruido térmico presente en un ancho de banda de B hz se puede expresar comoN = kTBo expresado en decibeles-watts:

N = 10log10 k + 10log10 T + l0log10 B=- 228.6 dBW + 10 log T + 10 log B

Ejemplo:Si se tiene un receptor con una temperatura efectiva de ruido de 294 K y un ancho de banda de 10 MHz, el ruido térmico a la salida del receptor será:

N = -228.6 dBW + l0log(294) + l0log 107=-228.6 + 24.7 + 70 = -133.9 dBW



Cuando señales de distintas frecuencias comparten el mismo medio de transmisión puede producirse ruido de intermodulación. El efecto del ruido de intermodulación es la aparición de señales a frecuencias que sean suma o diferencia de las dos frecuencias originales o múltiplos de éstas. Por ejemplo, la mezcla de las señales de frecuencias f1 y f2 puede producir energía a frecuencia f1 + f2. Estas componentes espúreas podrían interferir con otras componentes a frecuencia f1 + f2.El ruido de intermodulación se produce cuando hay alguna no linealidad en el transmisor, en el receptor o en el sistema de transmisión. Idealmente, estos sistemas se comportan como sistemas lineales; es decir, la salida es igual a la entrada multiplicada por una constante. Sin embargo, en cualquier sistema real, la salida es una función más compleja de la entrada.Un ejemplo de este tipo de ruido lo constituye la diafonía, que puede aparecer cuando las señales no deseadas se captan en las antenas de microondas. Aunque éstas se caracterizan por ser altamente direccionales, la energía de las microondas se dispersa durante la transmisión



La distorsión de retardo es un fenómeno debido a que la velocidad de propagación de una señal a través de un medio guiado varía con la frecuencia. Para una señal limitada en banda, la velocidad tiende a ser mayor cerca de la frecuencia central y disminuye al acercarse a los extremos de la banda. Por tanto, las distintas componentes en frecuencia de la señalllegarán al receptor en instantes diferentes de tiempo, dando lugar a desplazamientos de fase entre las diferentes frecuencias.



Este efecto se llama distorsión por retardo , ya que la señal recibida estádistorsionada debido al retardo variable que sufren sus componentes. La distorsión de retardo es particularmente crítica en la transmisión de datos digitales.Este hecho es un factor (de gran importancia) que limita la velocidad de transmisión máxima en un canal de transmisión. Para compensar la distorsión de retardo también se pueden emplear técnicas de ecualización.La Atenuación presente en cualquier medio de transmisión hace que la energía de la señal decaiga con la distancia. En medios guiados, esta reducción de la energía es por lo general exponencial y, por lo tanto, se expresa generalmente como un número constante en decibeles por unidad delongitud. En medios no guiados, la atenuación es una función más compleja de la distancia y es dependiente, a su vez, de las condiciones atmosféricas.



Se pueden realizar las siguientes consideraciones respecto a la atenuación: a) La señal recibida debe tener suficiente energía para que el receptor pueda detectar la señal adecuadamente.b) Para ser recibida sin error, la señal debe conservar un nivel suficientemente mayor que el ruido.c)L a atenuación es habitualmente una función creciente de la frecuencia.



Los dos primeros problemas se resuelven controlando la energía de la señal, para ello se usan amplificadores o repetidores. En un enlace punto a punto, la energía de la señal en el transmisor debe tener el nivel suficiente como para que se reciba con inteligibilidad. A partir de cierta distancia, la atenuación es inaceptable, lo querequiere la utilización de repetidores o amplificadores que incrementen el nivel de la señal periódicamente.Este tipo de problemas son todavía más complejos en líneas multipunto, en las que la distancia entre el transmisor y el receptor es variable.El tercer problema es especialmente relevante para el caso de las señales analógicas ya que la atenuación varía en función de la frecuencia, la señal recibida está distorsionada, reduciendo así la inteligibilidad. Para soslayar este problema, existen técnicas para ecualizar la atenuación en una banda de frecuencias dada. Otra aproximación alternativa es la utilización de amplificadores que amplifiquen más las frecuencias altas que las bajas.



Generalmente, el ruido impulsivo no tiene mucha trascendencia para los datos analógicos.La transmisión de voz se puede perturbar mediante chasquidos o crujidos cortos, sin que ello implique pérdida significativa de inteligibilidad. Sin embargo, el ruido impulsivo es una de las fuentes principales de error en la comunicación digital de datos. Por ejemplo, un pico de energía con duración de 0.01 segundos no inutilizaría datos de voz, pero podría corromper aproximadamente 560 bits si se transmitieran a 56 Kbps

TRANSMISION DE SEÑALES DIGITALES


Es conveniente antes de adentrarse en el tema de este Modulo,definir la diferencia entre una señal analogica de una digital.Como se ha visto en el Modulo anterior una señal analógica es un tipo de señal generada por una fenomeno electromagnetico y que es representable por una una funcion matematica continua en la que es variable su amplitud y periodo en función del tiempo.Resulta evidente que como el periodo de una señal resulta ser relacionada con la frecuencia de la misma por la siguiente expresion:

Donde:f es la frecuencia de la señalT es el periodo de la misma


La señal digital es la representacion de una señal analogica mediante valores discretos.Es decir que no es una funcion continua sino que toma valores discretos pero de una manera continua.La siguiente es una representacion grafica de una señal analogica tipica:

Señal digital: 1) Nivel bajo, 2) Nivel alto, 3) Flanco de subida y 4) Flanco de bajada.


Los sistemas digitales, como por ejemplo una computadora, usan logica de dos estados representados por dos niveles de tension electrica, uno alto,y otro bajo.Dichos estados se sustituyen por ceros y unos, lo que facilita la aplicación de la logica y la aritmetica binaria. Eel nivel alto se representa por 1 y el bajo por 0.Estos valores discretos se definen como unidades binarias.Bit es el acronimo de Binary digit. (dígito binario). Un bit es un dígito del sistema de numeracion binario.Mientras que en el sistema de numeración decimal se usan diez digitos (0 al 9), en el binario se usan sólo dos dígitos, el 0 y el 1. Un bit o dígito binario puede representar uno de esos dos valores: 0 ó 1


Con un bit podemos representar solamente dos valores, que suelen representarse como 0, 1. Para representar o codificar más información en un dispositivo digital, necesitamos una mayor cantidad de bits. Si usamos dos bits, tendremos cuatro combinaciones posibles:

00 01 10 y 11

Con estas cuatro combinaciones podemos representar hasta cuatro valores diferentes, como por ejemplo, los colores azul, verde, rojo y amarillo.A través de combinaciones de bits, se puede codificar cualquier valor discreto como números, palabras, e imágenes. Cuatro bits forman un nible, y pueden representar hasta 24 = 16 valores diferentes; ocho bits forman un octeto, y se pueden representar hasta 28 = 256 valores diferentes. En general, con un número n de bits pueden representarse hasta 2n valores diferentes.


En cualquier sistema de numeracion, el valor de los dígitos depende de la posición en que se encuentren.En el sistema decimal, por ejemplo, el dígito 3 puede valer 3 si está en la posición de las unidades, pero vale 30 si está en la posición de las decenas, y 300 si está en la posición de las centenas.Generalizando, cada vez que nos movemos una posición hacia la izquierda el dígito vale 10 veces más, y cada vez que nos movemos una posición hacia la derecha, vale 10 veces menos. Esto también es aplicable a números con decimales.

CENTENAS DECENAS UNIDADES DECIMAS CENTESIMAS

100 10 1 0.1 0.01

10² 10¹ 10º 1/10¹ 1/10²


Por tanto, el número 153,7 en realidad es: 1 centena + 5 decenas + 3 unidades + 7 décimas, es decir:

100 + 50 + 3 + 0,7 = 153,7. En el sistema binario es similar, excepto que cada vez que un dígito binario (bit) se desplaza una posición hacia la izquierda vale el doble (2 veces más), y cada vez que se mueve hacia la derecha, vale la mitad (2 veces menos).

16 8 4 2 1

2^4 2^3 2^2 2^1 2^0


Columna1 Columna2 Columna3 Columna4 Columna516 8 4 2 11 0 0 1 1

Por ejemplo la representacion del número 19:16 + 2 + 1 = 19

Es decir que el numero binario que representa el numero decimal 19 es: 10011


Byte u octeto es una secuencia de bits contiguos, cuyo tamaño depende del codigo de informacion o codigo de caracteres en que sea definido.Se usa comúnmente como unidad básica de almacenamiento de datos en combinación con los prefijos de cantidad. Originalmente el byte fue elegido para ser un submúltiplo del tamaño de palabra de un ordenador, desde cinco a doce bits. La popularidad de la arquitectura IBM S/360 que empezó en los años 60 y la explosión de las microcomputadoras basadas en microprocesadores de 8 bits en los en los años 80 ha hecho obsoleta la utilización de otra cantidad que no sean 8 bits. El término "octeto" se utiliza ampliamente como un sinónimo preciso donde la ambigüedad es indeseable.


Un conjunto de bits, como por ejemplo un byte representa un conjunto de elementos ordenados. Se llama bit mas significativo (MSB) al bit que tiene un mayor peso (mayor valor) dentro del conjunto, análogamente, se llama bit menos significativo (LSB) al bit que tiene un menor peso dentro del conjunto.En un Byte, el bit más significativo es el de la posición 7, y el menos significativo es el de la posición 0.

7 6 5 4 3 2 1 0

128 64 32 16 8 4 2 0

Tomemos, por ejemplo, el número decimal 27 codificado en forma binaria en un octeto:


Cuando se habla de CPUs o microprocesadores de 4, 8, 16, 32, 64 bits, se refiere al tamaño, en número de bits, que tienen los registros internos del procesador y también a la capacidad de procesamiento de la Unidad Aritmetico Logica (ALU). Un microprocesador de 4 bits tiene registros de 4 bits y la ALU hace operaciones con los datos en esos registros de 4 bits, mientras que un procesador de 8 bits tiene registros y procesa los datos en grupos de 8 bits.Los procesadores de 16, 32 y 64 bits tienen registros y ALU de 16, 32 y 64 bits respectivamente, y generalmente pueden procesar los datos, tanto en el tamaño en bits de sus registros como, dependiendo que su diseño lo permita, en determinados submúltiplos de éstos.


VENTAJAS DE LAS SEÑALES DIGITALES SOBRE LAS ANALOGICAS

a) Cuando una señal digital es atenuada o experimenta perturbaciones leves, puede ser reconstruida y amplificada mediante sistema de regeneracion de señales.b) Cuenta con sistemas de detecion y errores, que se utilizan cuando la señal llega al receptor; entonces comprueban (uso de redundancia) la señal, primero para detectar algún error, y, algunos sistemas, pueden luego corregir alguno o todos los errores detectados previamente.c) Facilidad para el procesamiento de la señal. Cualquier operación es fácilmente realizable a través de cualquier software de edición o procesamiento de señal.d) La señal digital permite la multiregeneracion infinita sin pérdidas de calidad.e) Es posible aplicar técnicas de compresión de datos sin pérdidas o técnicas de compresión con pérdidas basados en la codificación perceptual mucho más eficientes que con señales analógicas.


DESVENTAJAS DE LAS SEÑALES DIGITALES

a)Se necesita una conversión analógica-digital previa y una decodificación posterior, en el momento de la recepción.b)Si no se emplea un número suficiente de niveles de cuantificación en el proceso de digitalización, la relación señal a ruido resultante se reducirá con relación a la de la señal analógica original que se cuantificó. Esto es conocido como error de cuantificacion.c)Se hace necesario emplear siempre un filtro activo analógico pasa bajo sobre la señal a muestrear con objeto de evitar el fenómeno conocido como aliasing.

CONVERSION ANALOGICO DIGITAL



La tecnica de una conversion de una señal analogica a otra digital son los siguientes:

a)Muestreob)Cuantificacionc)Codificacion

Muestreo El muestreo (en inglés, sampling) consiste en tomar muestras periódicas de la amplitud de onda. La velocidad con que se toma esta muestra, es decir, el número de muestras por segundo, es lo que se conoce como frecuencia de muestreo.


Cuantificacion En el proceso de cuantificación se mide el nivel de voltaje de cada una de las muestras. Consiste en asignar un margen de valor de una señal analizada a un único nivel de salida.

CodificacionLa codificación consiste en traducir los valores obtenidos durante la cuantificación al codigo binario. Durante el muestreo, la señal aún es analógica, puesto que aún puede tomar cualquier valor. No obstante, a partir de la cuantificación, cuando la señal ya toma valores finitos, la señal ya es digital.


Los pasos en el proceso de conversion de una señal analogica a digital:


Establecidas las diferencias entre las señales analogicas y las digitales,es necesario analizar la manera de convertir una señal analogica a su contrapartida la digital.Pero antes de eso conviene describir las razones de la conveniencia de la digitalizacion de una señal analogica Hemos visto que las señales analogicas a transmitirse por cualquier medio se atenuan, y distorsionan por efecto de interferencias,distintos tipos de ruido,etc.Por lo tanto la alternativa de amplificar la señal no es una solucion efectiva,debido a que en el proceso de amplificacion se incrementa tambien el ruido que se puede considerar como otra señal superpuesta a la original.No sucede lo mismo con las señales digitales como puede demostrarse.


Según el teorema de muestreo de Nyquist-Shannon, para poder replicar con exactitud (es decir, siendo matemáticamente reversible en su totalidad) la forma de una onda es necesario que la frecuencia de muestreo sea superior al doble de la máxima frecuencia a muestrear.Para la conversion adecuada de analogico a digital de una señal de voz (teniendo en cuenta que según estadisticas mundiales varia entre 300 y 3400 Hz ) se utilizan 8.000 muestras por segundo.En audio, la máxima audiofrecuencia perceptible para el oido humano joven y sano está en torno a los 20 kHz, por lo que teóricamente una frecuencia de muestreo de 40000 sería suficiente para su muestreo; no obstante, el estándar introducido por el CD, se estableció en 44100 muestras por segundo


Se define como error de cuantificación o ruido de cuantificación a la señal en tiempo discreto y amplitud continua introducida por el proceso de cuantificacion (uno de los procesos que intervienen en la conversion analogica digital), que sigue al de muestreo y precede al de codificacion) y que resulta de igualar los niveles de las muestras de amplitud continua a los niveles de cuantificación más próximos. Una vez cuantificadas las muestras podrán ser codificadas ya que siempre se podrá establecer una correspondencia biunívoca entre cada nivel de cuantificación y un número entero. Para el caso del cuantificador ideal se trata del único error que introduce el proceso.


Teóricamente, la cuantificación de las señales analógicas resulta siempre en una pérdida de información (incluso en su caso ideal). Éste es el resultado de la ambigüedad introducida por la cuantificación. De hecho, la cuantificación es un proceso no reversible, dado que a todas las muestras a un intervalo inferior a Δ/2 de un determinado nivel se les asignan el mismo valor.En las siguientes figuras se puede visualizar las diferencias entre una señal continua (analogica) y su salida del proceso de cuantificacion


Muestreo y cuantificación de una onda senoidal en código de 4-bits


La línea roja corresponde con las muestras sin cuantificar (muestras de entrada al cuantificador) de una señal original sinusoidal, la verde representa esas mismas muestras de entrada cuantificadas (salida del cuantificador ideal) y la azul muestra el error de cuantificación que resulta del proceso de cuantificación. La relación señal a ruido de cuantificación (SQNR) es para este caso de sólo 24,74 dB con objeto de resaltar el error de cuantificación y su forma.


PAM (Modulación de amplitud de pulsos). La frecuencia de la portadora debe ser al menos mayor que el doble de la frecuencia de la señal moduladora. Realiza una cuantificacion lineal de la amplitud de la señal analógica. Actualmente, la principal aplicación principal de una codificación PAM se encuentra en la transmision de señales , pues permite el multiplexado (enviar más de una señal por un sólo canal).PCM (Pulse Code Modulated) cuya resolución es de 8 bits (1 byte. Utiliza la modulación PAM como base, pero en lugar de en 8 bits emplea 7 bits, reservándose el octavo para indicar el signo). ADPCM (Adaptative Differential Pulse Code Modulated).

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