Transmisin de seales digitales

Comunicaciones digitalesIng. Jorge Alberto Acosta AlejandroConceptos bsicos de sistemas de comunicacin digital

Independientemente de cul sea la aplicacin en particular, todos los sistemas de comunicacin involucran tres subsistemas principales: el transmisor, el canal y el receptor

Modulacin y demodulacin Los dos tipos bsicos de comunicaciones electrnicas son analgico y digital. Un sistema analgico de comunicaciones es aquel en el cual la energa se transmite y se recibe en forma analgica: una seal de variacin continua, como por ejemplo una onda senoidal. En los sistemas analgicos de comunicaciones, tanto la informacin como la portadora son seales analgicas.

comunicaciones digitales abarca una amplia variedad de tcnicas de comunicacin, que incluyen transmisin digital y radio digital.

La transmisin digital es un sistema digital verdadero, donde los pulsos digitales (con valores discretos, como +5V y tierra) se transfieren entre dos o ms puntos en un sistema de comunicaciones. Con la transmisin digital no hay portadora analgica, y la fuente original de informacin puede tener forma digital o analgica. Si esta en forma analgica se debe convertir a pulsos digitales antes de transmitirla, y se debe reconvertir a la forma analgica en el extremo de recepcin. Los sistemas de transmisin digital requieren una instalacin fsica entre el transmisor y el receptor, como por ejemplo un conductor metlico o un cable de fibra ptica.

Transmisin digital

Radio digitalLa radio digital es la transmisin de portadoras analgicas moduladas digitalmente, entre dos o ms puntos en un sistema de comunicaciones. En la radio digital, la seal moduladora y la seal demodulada son pulsos digitales.

La siguiente ecuacin es la descripcin general de una onda senoidal de voltaje, variable en el tiempo, como puede ser una seal portadora de alta frecuencia.

Si la seal de informacin es analgica, y la amplitud de la portadora es proporcional a ella, se produce la modulacin de amplitud (AM, por amplitude modulation). Si se vara la frecuencia en forma proporcional a la seal de informacin, se produce la modulacin de frecuencia (FM, de frequency modulation); por ltimo, si se vara la fase en proporcin con la seal de informacin, se produce la modulacin de fase (PM, de phase modulation).

Si la seal de informacin es digital, y la amplitud de la portadora se vara proporcionalmente a la senal de informacin, se produce una seal modulada digitalmente, llamada modulacin por conmutacin de amplitud (ASK, de amplitude shift keying). Si la frecuencia varia en forma proporcional a la seal de informacin se produce la modulacin por conmutacin de frecuencia (FSK, de frequency shift keying), y si la fase vara de manera proporcional a la seal de informacin, se produce la modulacin por conmutacin de fase (PSK, de phase shift keying). Si se varan al mismo tiempo la amplitud y la fase en proporcin con la seal de informacin, resulta la modulacin de amplitud en cuadratura (QAM, de quadrature amplitude modulation). Los sistemas ASK, FSK, PSK y QAM son formas de modulacin digital.

Los cuatro mtodos principalesson modulacin por ancho de pulso (PWM, pulse width modulation), modulacin por posicinde pulso (PPM, pulse position modulation), modulacin por amplitud de pulso (PAM, depulse amplitude modulation) y modulacin por cdigo de pulso (PCM, de pulse code modulation).Hay dos razones por las que la modulacin es necesaria en las comunicaciones electrnicas:

1) Es en extremo difcil irradiar seales de baja frecuencia en forma de energa electromagntica, con una antena,

y 2) ocasionalmente, las seales de la informacin ocupan la misma banda de frecuencias y si se transmiten al mismo tiempo las seales de dos o ms fuentes, interferirn entre si. Ventajas de la transmisin digital1. La ventaja principal de la transmisin digital respecto a la analgica es su inmunidad al ruido.2. Las seales digitales facilitan su procesamiento y multiplexado que las seales analgicas. El procesamiento digital se incluyen el filtrado, igualacin y desplazamiento de fase. Los pulsos digitales se pueden guardar con ms facilidad que las seales analgicas. Tambin, la rapidez de transmisin de un sistema digital se puede cambiar con facilidad para adaptarse a ambientes distintos.3. Los sistemas digitales de comunicacin son ms resistentes al ruido que sus contrapartes analgicas. Los sistemas digitales usan regeneracin de seal, y no usan amplificacin de seal.

Ventajas de la transmisin digital4. Es ms fcil medir y evaluar las seales digitales. En consecuencia, es ms fcil comparar la eficiencia de sistemas digitales alternativos con capacidades distintas de sealizacin e informacin que en sistemas equiparables analgicos.

Desventajas de la transmisin digital1. La transmisin de seales analgicas codificadas digitalmente requiere un ancho de banda bastante mayor que la simple transmisin de la seal analgica original. 2. Las seales analgicas se deben convertir en cdigos digitales antes de su transmisin, y reconvertirse a la forma analgica en el receptor, necesitando, por consiguiente, circuitos adicionales de codificacin y decodificacin.3. La transmisin digital requiere una sincronizacin precisa, respecto al tiempo, entre los relojes del transmisor y del receptor. Por consiguiente, los sistemas digitales requieren costosos circuitos de recuperacin de reloj en todos los receptores.4. Los sistemas de transmisin digital son incompatibles con las instalaciones anteriores, de transmisin analgica.El espectro electromagntico

Frecuencias muy bajas (VLF, de very low frequencies). Son seales dentro de los lmites de 3 a 30 kHz, que comprenden al extremo superior del intervalo audible humano. Las VLF se usan en algunos sistemas especiales, del gobierno y militares, como por ejemplo las comunicaciones con submarinos.Frecuencias bajas (LF, de low frequencies). Son seales en el intervalo de 30 a 300 kHz, y se usan principalmente en la navegacin marina y aeronutica.Frecuencias intermedias (MF, de medium frequencies). Son seales de 300 kHz a 3 MHz, y se usan principalmente para emisiones comerciales de radio AM (535 a 1605 kHz). Frecuencias altas (HF, de high frequencies). Seales en el intervalo de 3 a 30 MHz, con frecuencia llamadas ondas cortas. La mayora de las radiocomunicaciones en dos sentidos usa este intervalo, y la Voz de Amrica y la Radio Europa Libre transmiten en l. Tambin los radio aficionados y la banda civil (CB) usan seales de HF.Muy altas frecuencias (VHF, por very high frequencies). Son seales de 30 a 300 MHz, y se usan en radios mviles, comunicaciones marinas y aeronuticas, emisin comercial en FM (de 88 a 108 MHz) y en la emisin de televisin, en los canales 2 a 13 (54 a 216 MHz). INVESTIGAR LAS RESTANTES

Longitud de ondaLa relacin entre frecuencia, velocidad y longitud de onda se expresa en forma matemtica como sigue

Ejemplo:Calcular la longitud de onda, en metros, para las siguientes frecuencias: 1 kHz, 100 kHz y 10 MHz.

Modos de transmisin

Los sistemas electrnicos de comunicaciones se pueden disear para manejar la transmisin slo en una direccin, en ambas direcciones, slo en una a la vez, o en ambas direcciones al mismo tiempo. A stos se les llama modos de transmisin. Hay cuatro modos de transmisin posibles: simplex, semiduplex, duplex y duplex/duplex.

Simplex (SX) Con el funcionamiento simplex, las transmisiones slo se hacen en una direccin. A veces, a los sistemas simplex se les llama slo en un sentido, slo recibir o slo transmitir. Una estacin puede ser un transmisor o un receptor, pero no ambos a la vez. Como ejemplo de transmisin simplex esta la emisin comercial de radio o televisin: la estacin de radio slo transmite a uno, y uno siempre recibe.

Modos de transmisin

Semiduplex (HDX, de half duplex). En el funcionamiento semiduplex, las transmisiones se pueden hacer en ambas direcciones, pero no al mismo tiempo. Los sistemas de radio en dos sentidos que usan botones para hablar (PTT, de push-to-talk) para conectar sus transmisores, como son los radios de banda civil y de polica, son ejemplos de transmisin en semiduplex.

Duplex total (FDX, de full duplex). Con el funcionamiento duplex total, o simplemente duplex, puede haber transmisiones en ambas direcciones al mismo tiempo.

Modos de transmisin

Duplex total/general (F/FDX, de full/full duplex) Con la operacin en duplex total/general es posible transmitir y recibir en forma simultnea, pero no necesariamente entre las mismas dos estaciones (es decir, una estacin puede transmitir a una segunda estacin, y recibir al mismo tiempo de una tercera estacin).

Anlisis de seales

Cuando se disean los circuitos electrnicos de comunicaciones, con frecuencia se tiene que analizar y pronosticar el funcionamiento del circuito con base en la distribucin de potencia y la composicin de frecuencias de la seal de informacin. Esto se hace con el mtodo matemtico llamado anlisis de seales. Aunque todas las seales en las comunicaciones electrnicas no son ondas senoidales o cosenoidales de una sola frecuencia, muchas de ellas si lo son, y las que no lo son se pueden representar con una combinacin de funciones de seno o de coseno.

Seales senoidales

La descripcin matemtica de una onda de voltaje o de corriente con frecuencia nica es:

Dominio del tiempo. Un osciloscopio normal es un instrumento de dominio del tiempo.

Dominio de la frecuencia. El analizador de espectro es un instrumento de dominio de la frecuencia.

La serie de Fourier.

Ejercicio

La serie compleja Fourier.

Ejercicio

Determine la serie compleja Fourier para la siguiente funcinTransformada de Fourier

Ancho de banda (BW, B)Es la porcin del espectro electromagntico ocupada por una seal o el intervalo de frecuencia del cual opera un receptor u otro circuito electrnico. Ms especifico, es la diferencia entre los lmites de frecuencia superior e inferior.BW = f2 f1Ancho de banda (BW, B)Un ejemplo, el intervalo de frecuencias de la Voz es de 300 a 3 000 Hz, cual es el ancho de bandaB =3 000 Hz 300 Hz = 2 700 HzB = f2 - f1Ancho de banda (BW, B)Una seal de televisin ocupa un ancho de banda de 6 MHz, cul es la frecuencia del lmite superiorf2 = 6MHz + 54MHz = 60MHzf2 = BW + f1f2 = 6MHz + 54MHz = 60MHzf2 = BW + f1Tasa binaria(velocidad de transferencia)

ParaleloSerieTasa binaria(velocidad de transferencia)bps = 1/tb Ejemplo: Si consideramos un periodo de 104.17 uS en un bit, cual seria la velocidad de transmisin. Velocidad de bits por segundoRelacin entre la velocidad de transmisin y el ancho de banda

Relacin entre la velocidad de transmisin y el ancho de banda

Caso I. f = 1MHzCaso II. Wf = 8MHzCaso III. 3f

Relacin entre la velocidad de transmisin y el ancho de banda

Muestreo, cuantificacin y codificacin de la informacin analgica. En la modulacin de pulso se incluyen muchos mtodos distintos para convertir informacin a la forma de pulso, para transferir ste de una fuente a un destino. Los cuatro mtodos principales son modulacin por ancho de pulso (PWM, de pulse width modulation), modulacin por posicin de pulso (PPM, de pulse position modulation), modulacin por amplitud de pulso (PAM, de pulse amplitude modulation) y modulacin por cdigo de pulso (PCM, de pulse code modulation).

Muestreo, cuantificacin y codificacin de la informacin analgica.

Diagrama de bloques simplificado de un sistema de transmisin PCM smplex, de un solo canalMuestreo, cuantificacin y codificacin de la informacin analgica.

(a) Circuito de muestreoMuestreo, cuantificacin y codificacin de la informacin analgica.

Muestreo, cuantificacin y codificacin de la informacin analgica.