Transcript Tema N° 1 - Sistemas de Comunicaciones Electrónicas y sus Areas

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA
“ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”
VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ
Departamento de Ingeniería Electrónica
Sección de Comunicaciones
Introducción a la Transmisión
Digital y Conceptos Básicos.
Prof. Yusmary Cova
Sumario
 Introducción a la comunicación digital
• Señal analógico
• Señal digital
 Proceso de digitalización o conversión analógica-digital
 Técnicas de modulación uni-bit
• Modulación por conmutación de amplitud (ASK)
• Modulación por conmutación de frecuencia (FSK)
• Modulación por conmutación de fase (PSK)
 Técnicas de modulación multi-bit
• Manipulación del desplazamiento cuaternario de
fase (QPSK)
• Modulación de amplitud en cuadratura (QAM)
Sumario
 Aspectos preliminares: Velocidad de transmisión,
baudio, bits, ancho de banda de una señal, ancho de
banda del canal, ancho de banda de Nyquist, capacidad
del canal, relación señal/ruido, coeficiente de energía
ruido, longitud de onda, limite de Shannon,
multiplexión digital
 Perturbación en la transmisión
• Ruido
• Distorsión de retardo
• Atenuación y distorsión de atenuación
 Codificación de datos
Señal Analógico
Son aquellas que están
representadas por funciones
que pueden tomar un numero
infinito de valores en cualquier
intervalo de tiempo.
Señal Digital
La señal digital son aquellas
que están representadas por
funciones que pueden tomar
un cierto número finito de
valores en cualquier intervalo
de tiempo.
Proceso de digitalización
o conversión analógica-digital
La digitalización o conversión analógica-digital:
Consiste básicamente en realizar de forma periódica
medidas de la amplitud de una señal, redondear sus
valores a un conjunto finito de niveles preestablecidos de
tensión (conocidos como niveles de cuantificación) y
registrarlos como números
en cualquier tipo de
Conversorenteros
A/D
memoria o soporte.
Xg(t)
X(n)
Muestreador
Señal
analógica
Cuantificador
Señal en tiempo
discreto
Xq(n)
1001011…
Codificador
Señal
cuantificada
Señal digital
Proceso de digitalización
o conversión analógica-digital
 Muestreo: el muestreo 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.
 Cuantificación: 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.
Proceso de digitalización
o conversión analógica-digital
 Codificación: la codificación consiste en traducir los
valores obtenidos durante la cuantificación al código
binario. Hay que tener presente que el código binario
es el más utilizado, pero también existen otros tipos
de códigos que también son utilizados.
Técnicas de modulación digital
Las técnicas de modulación digital se caracterizan
porque la portadora es una señal analógica y la
modulante es una señal digital.
Técnicas de modulación digital
Se clasifican
en:
Técnicas de
modulación
uni-bit
ASK
FSK
Técnicas de
modulación
multi-bit
PSK
QPSK
nQAM
nPSK
Técnicas de modulación digital
Modulación
Codificación
B [Hz]
Baudios
FSK
Un bit
≥ fb
fb
BPSK
Un bit
fb
fb
QPSK
Dibit
fb/2
fb/2
8PSK
Tribit
fb/3
fb/3
8QAM
Tribit
fb/3
fb/3
16PSK
Cuatribit
fb/4
fb/4
16QAM
Cuatribit
fb/4
fb/4
Ancho de banda del canal
El ancho de banda de una canal de información no
es mas que la diferencia entre la frecuencia máxima y
mínima que pueden pasar por el canal.
Ancho de banda de una señal
El ancho de banda de una señal de información no
es mas que la diferencia entre la frecuencia máxima y
mínima contenidas en la información.
Ancho de Banda de Nyquist
Si se tiene un canal exento de ruido. En ese entorno, la
limitación en la velocidad de los datos está impuesta
simplemente por el ancho de banda de la señal. Nyquist
formalizó esta limitación, afirmando que si la velocidad de
transmisión de la señal es 2B, entonces una señal con
frecuencia no superior a B es suficiente para transportar
esta velocidad de transmisión de la señal.
C = 2𝐵 log 2 𝑀
C = 6,64𝐵 log 𝑀
Capacidad de información de un sistema
de comunicación
La capacidad de información es una medida del
número de símbolos independientes que pueden enviarse
por un sistema de comunicaciones por unidad de tiempo.
Según la ley de Hartley, la capacidad de información
esta dada por:
I

B xT
Donde:
I: Es la capacidad del canal de información del sistema
B: Es el ancho de banda disponible (Hz)
T: Línea de transmisión (s)
Limite de Shannon
Una relación mucho más útil que la que formuló
Hartley, es el Limite de Shannon. Esto es en forma de
ecuación:
𝐼 = 𝐵 log 2 1 + 𝑆 𝑁
𝐼 = 3,32𝐵 log10 1 + 𝑆 𝑁
Donde:
I: Capacidad de información (bps)
B: Ancho de banda (Hz).
S/N: Relación señal a ruido (adimensional)
Longitud de onda
La longitud de onda de la señal es la distancia que
ocupa un ciclo completo de la señal que viaja a una
velocidad "v".
𝑐
𝜆=
𝑓
Donde:
c: Constante de la velocidad de la luz (3*10^8 m/s)
f: Frecuencia de la señal
Velocidad de transmisión
La velocidad de transmisión es la relación entre la
información transmitida a través de una red de
comunicaciones y el tiempo empleado para ello.
Bit
Razón de Bits: es la razón de cambio en la entrada
del modulador y tiene como unidades bits por segundos
(bps)
Baudio
Razón de Baudio: es la razón de cambio en la salida
del modulador.
Coeficiente energía a ruido
Se determina por:
𝐸𝑏 𝑆𝑇𝑏 𝑆 1 𝑅
𝑆
𝑆
=
=
=
=
𝑁0
𝑁0
𝑁0
𝑁0 𝑅 𝐾𝑇𝑅
Donde:
Eb = STb, S es la potencia de la señal y Tb es el tiempo
necesario para enviar un bit.
R=1/Tb. La velocidad de transmisión es
k: es la constante de Boltzmann (1,380x10-23 J/°K)
Coeficiente energía a ruido
Se puede expresar en dB:
𝐸𝑏
𝑁0
𝐸𝑏
𝑁0
= 𝑆𝑑𝑏𝑊 − 10 log 𝑅 − 10 log 𝐾 − 10 log 𝑇
𝑑𝐵
= 𝑆𝑑𝑏𝑊 − 10 log 𝑅 + 228,6𝑑𝐵𝑊 − 10 log 𝑇
𝑑𝐵
Multiplexión digital
La multiplexión es la transmisión de información
proveniente de varias fuentes, a través de un mismo
medio de transmisión a diferentes destinos.
Perturbaciones en la transmisión
Las perturbaciones en una transmisión de señales
analógicas o digitales es inevitable, pues existen una serie
de factores que afectan a la calidad de las señales
transmitidas por lo que nunca serán iguales a las señales
recibidas.
Las principales perturbaciones son:
• Ruido
• Distorsión de Retardo
• Atenuación
Codificación digital de señales.
Es un código utilizado en un sistema de
comunicaciones para transmisión.
Los códigos en línea son frecuentemente usados
para el transporte digital de datos. Estos códigos consisten
en representar la señal digital transformando su amplitud
respecto al tiempo.
Codificación digital de señales
Los tipos de codificación digital más comunes son:
 No retorno a cero (NRZ).
 Bipolar-AMI.
 Pseudo-ternario.
 Manchester.
 B8ZS.
 HDB3.
Espectro de las codificaciones digitales
Actividad Complementaria.
De los siguientes texto, resolver los ejercicios planteados:
 Tomasi, capitulo 12
 Preguntas: 2, 4, 6, 9, 11, 13, 16, 19, 21, 25
 Problemas: 1, 2, 3, 4, 5, 8, 10, 16, 19, 21
 Stanllings, capitulo 3
 Cuestionario: 6, 7, 8, 9
 Ejercicios: 11, 12, 13, 14, 15, 16, 18, 19, 21
GRACIAS POR SU
ATENCIÓN
Modulación por Conmutación de
Amplitud (ASK)
𝑆𝐴𝑆𝐾 𝑡 =
𝑃𝑠
1 + 𝑏 𝑡 𝑆𝑒𝑛(𝑤𝑐 𝑡)
2
Modulación por Conmutación de
Frecuencia (FSK)
𝑆𝐴𝑆𝐾 𝑡 =
2𝑃𝑠 cos 𝑤𝑐 𝑡 + 𝑏(𝑡)Ω
Modulación por Conmutación de
Fase (PSK)
𝑆𝐴𝑆𝐾 𝑡 = 𝐴 cos 𝑤𝑐 𝑡 + 𝑏(𝑡)
Ejemplo de ancho de banda de una
señal.
Longitud de onda
Ejemplo: La profundidad en el océano a la que se
detectan las señales electromagnéticas generadas desde
aeronaves crece con la longitud de onda. Por tanto, los
militares encontraron que usando longitudes de onda muy
grandes, correspondientes a 30 Hz, podrían comunicarse
con cualquier submarino alrededor del mundo. La
longitud de antena es deseable que sea del orden de la
mitad de la longitud de onda. ¿Cuál debería ser la longitud
típica de las antenas para operar a esas frecuencias?
𝜆 = 𝐶 𝑓 = 107 𝑚
𝐿𝑎𝑛𝑡 = 𝜆 2 = 5000𝐾𝑚
Ejemplo de Razón de bits
Si se tienen símbolos de 4 bits cada uno y la
velocidad de transmisión de un módem de 2.400
baudios/seg, ¿cual es la razón de bits a la entrada del
modem?
2400 X 4 = 9.600 bits/seg = 9.600 bps
Ruido
El ruido es toda aquella señal que se inserta entre el
emisor y el receptor de una señal dada. Hay diferentes
tipos de ruido: ruido térmico debido a la agitación
térmica de electrones dentro del conductor, ruido de
intermodulación
cuando
distintas
frecuencias
comparten el mismo medio de transmisión
Distorsión de Retardo
Debido a que en medios guiados, la velocidad de
propagación de una señal varía con la frecuencia, hay
frecuencias que llegan antes que otras dentro de la
misma señal y por tanto las diferentes componentes en
frecuencia de la señal llegan en instantes diferentes al
receptor.
Atenuación
La energía de una señal decae con la distancia, por lo
que hay que asegurarse que llegue con la suficiente
energía como para ser captada por la circuitería del
receptor
Codificación digital NRZ.
Características.
 Dentro de los códigos NRZ se establece una
clasificación
• NRZ-L (No se retorna a nivel cero). Se considera que
si el dato es un cero “0” este se representa con un
nivel alto en cambio el uno “1” con un nivel bajo
• NRZ-I (No se retorna invertido). Si el bit de dato es
un cero “0”, no hay transición al comienzo del
intervalo y en cambio al enviar un uno “1” se
produce una transición a nivel positivo o negativo.
Ejemplo de Codificación digital
NRZ
0
+V
NRZ - L
0
NRZI
+V
0
1
0
0
1
1
1
0
Codificación digital Bipolar ó AMI
Características:
 Espectro el espectro de esta señal no tiene
componente continua.
 Los “1” binarios se representan por medio de valores
alternadamente negativos y positivos. El “0” binario se
representa con un nivel cero. Ejemplo:
0
Bipolar - AMI
+V
0
-V
1
0
0
1
1
1
0
Codificación digital Pseudoternario.
Características:
 El término pseudoternario se refiere al uso de tres
niveles de señales codificadas para representar datos de
dos niveles (binarios).
 Los “0” binarios se representan por medio de valores
alternadamente negativos y positivos. El “1” binario se
representa con un nivel cero.
 Espectro el espectro de esta señal no tiene
componente continua.
Ejemplo Codificación digital
Pseudoternario.
0
Pseudoternario
+V
0
-V
1
0
0
1
1
1
0
Codificación digital Manchester.
Características.
 Siempre hay transición a la mitad del bit.
 Dentro de la codificación Manchester se establece
una clasificación:
 Manchester:
•
•
0= transición de alto a bajo.
1= transición de bajo a alto.
 Manchester diferencial:
•
•
0=transición al principio del intervalo.
1=no hay transición al principio del intervalo
Ejemplo de Codificación digital
Manchester.
0
+V
Manchester
-V
Manchester Diferencial
1
0
0
1
1
1
0
Codificación de datos
Codificación digital B8ZS.
Características:
Esta basado en bipolar- AMI, con las reglas:
• Si aparece un octeto con todos ceros y el último
valor de tensión anterior a dicho octeto fue
positivo, codificar dicho octeto con 0 0 0 + - 0 - +
• Si aparece un octeto con todos ceros y el último
valor de tensión anterior a dicho octeto fue
negativo, codificar dicho octeto como 0 0 0 - + 0 + B8ZS está basado en el antiguo método de codificación
llamado Alternate Mark Inversion ( AMI).
Ejemplo Codificación digital B8ZS.
1
1
0
0
0
0
0
V
B
0
0
0
1
AMI
B8ZS
B: señal bipolar valida.
V: violación de código
V
B
1
1
Codificación digital HDB3
El código HDB3 es un buen ejemplo de las propiedades
que debe reunir un código de línea para codificar en
banda base:
 El espectro de frecuencias carece de componente
continua y su ancho de banda está optimizado.
 El sincronismo de bit se garantiza con la alternancia de
polaridad de los "unos", e insertando impulsos de
sincronización en las secuencias de "ceros".
 En HDB3 se denomina impulso a los estados eléctricos
positivos o negativos, distintos de "cero". (0 voltios).
Codificación digital HDB3.
Regla de sustitución en HDB3
Ejemplo Codificación digital HDB3.
1
1
0
0
0
0
0
V
B
0
0
0
1
AMI
HDB3
B: señal bipolar valida.
V: violación de código
V
B
1
1