This translation of Digital Comunications: Design for the Real World, First Edition, is published by arrangement with Pearson Education Limited.

Transcripción

1 Título de la obra original: Digital Comunications Design for the Real World Addison Wesley Longman Limited, 1999 This translation of Digital Comunications: Design for the Real World, First Edition, is published by arrangement with Pearson Education Limited. Autor: Andy Bateman Traducción: Francisco Palomera Abegón Coordinador editorial: Carles Parcerisas Civit Reservados todos los derechos de publicación, reproducción, préstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesión del uso de este ejemplar de la presente edición en español, por MARCOMBO S.A Gran Via de les Corts Catalanes, Barcelona Quedan rigurosamente prohibidas, sin la autorización escrita de los titulares del "Copyright", bajo las sanciones establecidas en las leyes, la reproducción total o parcial de esta obra por cualquier medio o procedimiento, comprendidos la reprografía y el tratamiento informático, y la distribución de ejemplares de ella mediante alquiler o préstamo públicos, así como la exportación e importación de esos ejemplares para su distribución en venta, fuera del ámbito de la Unión Europea. ISBN: ISBN: , edición original Impreso en España Printed in Spain

2 ÌQGLFH Prefacio... XV A quién está dirigido este libro?... XV Qué conocimientos previos se requieren?... XV En qué difiere el material de este libro de otros textos de comunicaciones digitales?... XV Dónde se ha originado el material?... XVI El autor... XVI Información para instructores/formadores... XVII Qué opina de este libro?... XVII Agradecimientos del autor... XVII Agradecimientos de los editores... XVIII Advertencias sobre marcas registradas... XVIII Cómo utilizar libro y CD combinados... XIX Diferencias entre el libro impreso y el CD... XIX Requisitos del sistema... XX Instalación y arranque del libro electrónico... XX Navegación por el libro electrónico Botones en el lado izquierdo de la pantalla... XXI Botones en la parte inferior de la pantalla... XXIII Características en la página y convenciones de visualización... XXIII 1. Materia básica Representación temporal/frecuencial de señales digitales... 2 Serie de Fourier... 3 En profundidad: Desarrollo en serie de Fourier... 3 El dominio frecuencial... 4 Espectro de un tren periódico de impulsos... 4 Espectro de un impulso de datos... 9 Espectro de un flujo de datos binario en banda base... 9 Factores que afectan al ancho de banda de la señal Transformación de Fourier En profundidad: Transformación de Fourier Relaciones trigonométricas Proceso mezclador básico Procesos mezcladores complejos... 14

3 9, ÌQGLFH Modulador vectorial En profundidad: Identidades trigonométricas útiles Redes de comunicaciones y protocolos de señalización Qué es una red? Configuración típica de red Jerarquía de red Normas de transmisión En profundidad: Estructura en trama y jerarquía de multiplexado para telefonía europea ITU (CCITT) Red Digital de Servicios Integrados (RDSI) Qué es un protocolo? En profundidad:el protocolo RS El modelo OSI de siete capas Tipos de redes: funcionamiento de red conmutada por circuito y por paquetes Administración de red Capa de enlace de red Comunicaciones síncrona/asíncrona Transmisión síncrona Transmisión asíncrona Formato de carácter ASCII Definición de términos Características del tipo de mensaje Analógico Digital Elementos de un enlace de comunicaciones Transmisor Canal de transmisión Receptor Formas de onda unipolares frente a bipolares Orígenes de la degradación del enlace Distorsión Interferencia Ruido Protocolos de transmisión Símplex Semidúplex Dúplex completo Fundamentos de la transmisión de datos Factores que afectan al diseño del sistema Limitaciones tecnológicas Disponibilidad de software y hardware En profundidad: Procesado digital de señales... 33

4 ÌQGLFH 9,, Consumo de potencia Tamaño de los componentes Regulaciones y normativas gubernamentales Realidades comerciales Fundamentos de la transmisión de datos Cómo puede fluir la información rápidamente? Métodos de comunicación Señalización binaria Señalización multinivel Funcionamiento con símbolo multinivel Compromiso entre ancho de banda y ruido Velocidad de transferencia de información Velocidad de símbolos (velocidad en baudios) Rendimiento del ancho de banda Señalización multinivel (señalización M-aria) Relación entre bits y símbolos Ejemplo: señalización 8-aria Cálculo de la capacidad del canal Limitación debida al ancho de banda finito Ancho de banda de transmisión mínimo Restricción de la capacidad del canal debido al ruido el teorema Shannon- Hartley Rendimiento de la potencia y del ancho de banda Representación gráfica Transmisión de datos en banda base Introducción Interferencia intersímbolo (ISI) El problema de la interferencia intersímbolo Conformación de impulsos para ISI cero: filtrado de canal de Nyquist Consecución de una respuesta de canal de Nyquist Filtrado de Nyquist Ejemplo: aplicación de radiocomunicación celular Diagramas en ojo Generación de diagramas en ojo Diagnóstico utilizando el diagrama en ojo Ejemplo de diagrama en ojo complejo Filtrado en coseno elevado Familia de filtros en coseno elevado Respuesta a los impulsos del filtro en coseno elevado En profundidad: Función de transferencia y respuesta a los impulsos de un filtro en coseno elevado... 56

5 9,,, ÌQGLFH Diagramas en ojo para datos filtrados en coseno elevado Filtro en coseno elevado raíz Realización de filtros de Nyquist digitales En profundidad: Respuesta a los impulsos de un filtro en coseno elevado raíz Precauciones con diagramas en ojo Recuperación de la temporización de símbolos Circuitos de temporización de símbolos Resumen: elección de α Filtrado adaptado Recuperación de símbolos desde el ruido Concepto de filtro óptimo (adaptado) Diseño de un filtro adaptado teniendo en cuenta la ISI En profundidad: Criterios para filtrado adaptado en AWGN Comportamiento de la proporción de bits de error (BER) para sistemas de datos en banda base Comportamiento de la BER para detección con filtro adaptado En profundidad: Probabilidad de error de símbolos para detección de datos unipolares en banda base binaria Símbolos unipolares frente a bipolares En profundidad: Probabilidad de error de símbolos para detección de datos bipolares en banda base binaria Comportamiento de la BER para señalización M-aria Proporción de bits de error frente a proporción de símbolos de error Codificación de Gray Señalización de respuesta parcial Señalización duobinaria En profundidad: Cálculo de la respuesta a los impulsos y de la respuesta de frecuencia para señalización duobinaria Señalización duobinaria modificada En profundidad: Cálculo de la respuesta a los impulsos y de la respuesta de frecuencia para señalización duobinaria modificada Orígenes y ejemplos de degradación de canal Introducción Distorsión de ganancia, fase y retardo de grupo Distorsión de ganancia filtros Distorsión de ganancia amplificadores En profundidad: Transmisores/amplificadores lineales Distorsión de ganancia el canal Distorsión de fase filtros Retardo de grupo filtros Distorsión de fase amplificadores... 85

6 ÌQGLFH,; Distorsión de fase el canal Errores de frecuencia Error del oscilador local Desplazamiento Doppler En profundidad: Desplazamiento Doppler Interferencia y ruido Fuentes de interferencia Reducción de la interferencia Fuentes de ruido Ruido térmico Ruidos de granalla, de parpadeo y atmosférico Características del ruido El canal telefónico Canales acoplados en c.a NRZ frente a codificación Manchester Rendimiento del ancho de banda de datos codificados Codificación de datos y canal telefónico El canal de radiocomunicaciones Propagación no guiada Distorsión multitrayectoria Desvanecimiento multitrayectoria Desvanecimiento plano de frecuencia frente a desvanecimiento selectivo de frecuencia Desvanecimiento multitrayectoria el problema del dominio temporal Recepción con desvanecimiento multitrayectoria Sondeo de referencia En profundidad: Corrección del desvanecimiento basada en un tono piloto Transmisión en paralelo Dispersión espectral Ecualizadores de canal Antena direccional Predicción de la distorsión multitrayectoria Cambios de la propagación con la frecuencia de funcionamiento Modulación digital de paso de banda Introducción Manipulación por desplazamiento de amplitud (ASK) Qué es ASK? Simetría en ASK Ocupación espectral de ASK: espectro de datos ASK Generación de señales moduladas ASK

7 ; ÌQGLFH ASK de ancho de banda limitado Método de filtrado de paso de banda Método de filtrado en banda base Detección no coherente Detección coherente En profundidad: Ejemplo de mezclador lineal integrado Detección coherente frente a detección no coherente Recuperación de portadora para ASK Filtrado adaptado para ASK Recuperación de la temporización de símbolos Comportamiento de BER para ASK Diagramas de constelación Manipulación por desplazamiento de frecuencia (FSK) Formas de onda FSK Generación FSK En profundidad: Osciladores controlados por tensión El modulador vectorial Espectro de FSK Espectro de CPFSK En profundidad: Ejemplo de modulador en cuadratura (vectorial) integrado En profundidad: Espectro de las formas de onda de manipulación por desplazamiento de frecuencia FSK filtrada Detección no coherente FSK Detección no coherente FSK basada en PLL Detección coherente FSK Comportamiento de BER para FSK Manipulación por desplazamiento de fase (PSK) Principio de la PSK Ocupación espectral para PSK Generación PSK El efecto del filtrado sobre la forma de onda PSK Detección de PSK Recuperación de portadora para PSK coherente El bucle de Costas Ambigüedad de fase en recuperación de portadora PSK Codificación de datos diferencial Decodificación de datos diferencial PSK diferencial (DPSK) Recuperación de la temporización de símbolos para PSK Diagrama de constelación para PSK Comportamiento de BER para PSK

8 ÌQGLFH ;, 5.5 Comparación de esquemas de modulación binaria Comportamiento de BER relativo Igual energía media del símbolo Igual energía de pico del símbolo Modulación digital multinivel Introducción Manipulación por desplazamiento de amplitud M-aria (ASK M-aria) Realización de ASK M-aria Comportamiento de ASK M-aria Manipulación por desplazamiento de frecuencia M-aria (FSK M-aria) Aplicación FSK M-aria Señalización ortogonal Propiedades de los símbolos ortogonales Detección FSK ortogonal Comportamiento de BER para FSK M-aria ortogonal En profundidad: Probabilidad de error de símbolo para FSK M-aria ortogonal Manipulación por desplazamiento de fase M-aria (PSK M-aria) Manipulación por desplazamiento de fase en cuadratura (QPSK) Realización de QPSK modulador Realización de QPSK demodulador Comportamiento de los bits de error para QPSK Comportamiento de los símbolos de error para QPSK QPSK diferencial (DQPSK) Comportamiento de BER para DQPSK QPSK π/ QPSK desplazada (OQPSK) Espectro de PSK M-aria Comportamiento de PSK M-aria Manipulación de amplitud y fase combinadas (QAM/APK) Introducción Generación QAM Detección QAM QAM M-aria frente a PSK M-aria Comportamiento de BER para QAM Manipulación de amplitud y fase M-aria (APK M-aria) Codificación Gray Comportamiento relativo de los formatos de modulación de paso de banda multinivel Curvas de símbolos de error para formatos M-arios

9 ;,, ÌQGLFH El límite de Shannon cuánto podemos aproximarnos? Tabla de características de modem telefónicos CCITT Teoría y práctica de la codificación Codificación de fuente Introducción Codificación de la forma de onda convertidores A/D Muestreo de Nyquist Teorema de Nyquist de muestreo aliasing Margen dinámico Ruido de cuantificación En profundidad: Cálculo de la relación señal/ruido de cuantificación Compansión Codificación de voz En profundidad: Típico codec integrado para digitalización de señal telefónica Codificación inteligente de fuente Codificación de canal Introducción Tipos de funcionamiento ARQ Paridad Tipos de codificación FEC Codificación por bloques Fundamentos de la codificación por bloques Analogía de la codificación por bloques Rendimiento de la codificación Códigos de Hamming ejemplo de un código por bloques Distancia de Hamming Comportamiento BER para un código de Hamming (7, 4) Códigos de Hamming de orden superior Complejidad de realización Codificación por bloques avanzada Familias de códigos por bloques Entrelazado Realización Códigos de Reed-Solomon (RS) Codificación convolucional Introducción Decodificación de decisión soft Diagramas trellis Decodificación de decisión soft frente a hard

10 ÌQGLFH ;,,, 7.6 Codificación y modulación combinadas Introducción Modulación codificada trellis (TCM) Cuestiones prácticas con TCM TCM y el límite de Shannon Codificación de fuente, canal y modulación completa Técnicas de modulación digital multiusuario Introducción Acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA) Funcionamiento del sistema básico Funcionamiento del FDMA en radiocomunicaciones Control de potencia en sistemas FDMA de radiocomunicaciones Ventajas de FDMA Desventajas de FDMA Multiplexado por división de la longitud de onda Acceso múltiple por división en el tiempo (TDMA) Funcionamiento del sistema básico TDMA en un entorno de radiocomunicaciones Ejemplo de un sistema TDMA Ventajas de funcionamiento TDMA Desventajas de funcionamiento TDMA Acceso múltiple por división de código (CDMA) Sistemas CDMA CDMA por salto de frecuencia (FH-CDMA) Ejemplo de CDMA por salto de frecuencia CDMA de secuencia directa Ejemplo de CDMA de secuencia directa En profundidad: Secuencias pseudoaleatorias Ventajas de CDMA Desventajas de CDMA Sistemas de acceso múltiple combinados Ejemplos de combinaciones FDMA/TDMA Ejemplos de combinaciones FDMA/CDMA y FDMA/FDMA Glosario Referencias Índice alfabético