FUNDAMENTOS DE COMUNICACIONES CURSO PARA EXAMEN COMPLEXIVO

Transcripción

1 DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA, TELECOMUNICACIONES Y REDES DE INFORMACIÓN FUNDAMENTOS DE COMUNICACIONES CURSO PARA EXAMEN COMPLEXIVO Ing. Christian Tipantuña, MSc. christian.tipantuna@epn.edu.ec Quito, 2015

2 Fundamentos de Comunicaciones 1 Objetivos: Revisar los aspectos y conceptos básicos de las comunicaciones. Conocer los diferentes componentes de los sistemas de comunicaciones y las posibles afectaciones que puede sufrir la señal. Revisar los conceptos de modulación y demodulación en AM y FM.

3 Fundamentos de Comunicaciones 2 Espectro Electromagnético Distribución energética del conjunto de las ondas electromagnéticas. El espectro electromagnético es el rango de todas las radiaciones electromagnéricas posibles. El rango de frecuencias es variado desde 3 Hz hasta frecuencias cercanas a los 3^1027 Hz.

4 Espectro Radioeléctrico Fundamentos de Comunicaciones 3 Subconjunto de ondas electromagnéticas u ondas hertzianas por debajo de 300 GHz, que se propagan por el espacio sin necesidad de un medio guiado o alámbrico (cable o fibra). El espectro radioeléctrico es una porción del espectro electromagnético. Radiaciones ionizantes: nocivas). radiaciones con energía suficiente para ionizar la materia. (radiaciones Radiaciones no ionizantes: aquellas que no poseen suficiente energía para arrancar un electrón del átomo, es decir, no son capaces de producir ionizaciones.

5 Fundamentos de Comunicaciones 4 Espectro Radioeléctrico (2) Es posible brindar una variedad de servicios de telecomunicaciones. El espectro radioeléctrico es considerado por la Constitución de la República como un sector estratégico, por tanto, el Estado se reserva el derecho de su administración, regulación, control y gestión. La legislación de telecomunicaciones ecuatoriana lo define como un recurso natural limitado, perteneciente al dominio público del Estado, inalienable e imprescriptible.

6 Fundamentos de Comunicaciones 5 Bandas de Frecuencia del Espectro Radioeléctrico

7 Fundamentos de Comunicaciones 6 Bandas de Frecuencia del Espectro Radioeléctrico (2)

8 Fundamentos de Comunicaciones 7 Sistemas de Comunicaciones Modelo Simplificado

9 Fundamentos de Comunicaciones 8 Conceptos de comunicaciones COMUNICACIÓN Es un proceso en virtud del cual una cierta cantidad de información se transfiere de un punto a otro en el espacio. SISTEMA DE COMUNICACIÓN Totalidad de mecanismos que sirven para llevar información desde la fuente al lugar de destino. La información transmitida recibe el nombre de mensaje.

10 TRANSMISOR Irradia la señal a transmitirse por el canal de transmisión. Antes de transmitirse la señal debe procesarse de alguna manera siendo la forma más común de hacerlo la modulación. MODULACIÓN Fundamentos de Comunicaciones 9 Componentes de un sistemas de Comunicaciones Proceso ideado para acoplar la señal transmitida a las características del canal de transmisión, por medio de una onda portadora (onda de más alta frecuencia en comparación con la modulante).

11 Fundamentos de Comunicaciones 10 Componentes de un sistemas de Comunicaciones (2) MODULACIÓN RECEPTOR La función del receptor es extraer la señal del canal y entregarla al transductor de salida.

12 Fundamentos de Comunicaciones 11 Procesos adicionales en sistemas de Comunicaciones FILTRADO Consiste en limitar el ancho de banda de la fuente de información o modificar la forma de onda. o Filtros pasabajos: deja pasar las bajas frecuencias. o Filtro pasabanda: deja pasar una banda de frecuencia determinada. o Filtros pasaaltos: deja pasar las altas frecuencias. Ejemplo: elimincación de las componentes ruidosas

13 Fundamentos de Comunicaciones 12 Procesos adicionales en sistemas de Comunicaciones (2) AMPLIFICACION Incremento en la amplitud de la señal para el procesamiento y trasmisión. CONVERSIÓN A/D Conversión de una forma de onda continua a una digital o discreta.

14 Fundamentos de Comunicaciones 13 Anomalías del canal de transmisión RUIDO Conjunto de señales eléctricas aleatorias y por tanto impredecibles producidas por causas internas o externas al sistema, debido a su naturaleza fortuita son imposibles de eliminar. Algunos tipos de ruido son: o RUIDO TERMICO: Causado por el movimiento aleatorio de los electrones libres en un conductor. Todos los componentes como cables coaxiales, guías de onda, etc., generan ruido térmico. o RUIDO BLANCO: Depende de la temperatura a la cual se trabaja, tiene todos los componentes de frecuencia. o RUIDO COLOREADO: Ruido que ha sido filtrado, no está presente en todas las componentes de frecuencia.

15 Fundamentos de Comunicaciones 14 Anomalías del canal de transmisión (2) DISTORSIÓN Perturbación de la señal, debido a una respuesta imperfecta del sistema. Puede ser lineal o no lineal. Se considera que un sistema no tiene distorsión si el sistema tiene solamente atenuación y retardo.

16 Fundamentos de Comunicaciones 15 DISTORSIÓN o DISTORSIÓN LINEAL Anomalías del canal de transmisión (3) No se generan nuevas frecuencias. Un sistema es lineal cuando las frecuencias presentes a la salida son las mismas presentes a la entrada. ü DE AMPLITUD: Causada por la respuesta no uniforme de frecuencia en la banda de interés. ü DE FASE: Debida a la respuesta no uniforme de fase en la banda de interés. La distorsión lineal se corrige con el uso de ecualización (ecualizadores). o DISTORSIÓN NO LINEAL Cuando se generan nuevas frecuencias. ü DE ARMÓNICOS: Por efecto de la respuesta no lineal del sistema. ü POR INTERMODULACIÓN: Causada por una combinación no lineal de múltiples componentes de frecuencia de la señal.

17 Fundamentos de Comunicaciones 16 Anomalías del canal de transmisión (3)

18 Fundamentos de Comunicaciones 17 Anomalías del canal de transmisión (4)

19 INTERFERENCIA Fundamentos de Comunicaciones 18 Anomalías del canal de transmisión (5) Producida debido a la presencia de una señal de naturaleza similar a la deseada, no necesariamente la misma. La interferencia además es conocida como diafonía o crosstalk un ejemplo bastante práctico es cuando durante una llamada telefónica se escucha otra conversasión.

20 MODULACIÓN / DEMODULACIÓN AM Modulación / Demodulación AM 19

21 Modulación / Demodulación AM 20 Modulación La mayoría de señales no pueden ser trasmitidas a través del canal de trasmisión en la forma en que salen del transductor, para obviar esto se utiliza una onda portadora cuyas propiedades son más apropiadas para la transmisión a través del medio elegido. La modulación es la incorporación en la portadora de la información de la modulante (mensaje). Transductor: es un dispositivo capaz de transformar o convertir una determinada manifestación de energía de entrada, en otra diferente a la salida

22 Facilita la radiación de la señal. Modulación / Demodulación AM 21 Ventajas de la Modulación El uso de portadoras permite tener antenas de dimensiones realizables (λ=c/f). La modulación ayuda a reducir el ruido y la interferencia (procesos más complejos son más robustos al ruido y a la interferencia). La modulación FM es más inmune al ruido y a la interferecia que la modulación AM.

23 Modulación / Demodulación AM 22 Ventajas de la Modulación (2) El uso de portadoras a diferentes frecuencias, hace posible la coexistencia de varias emisoras, varios canales de TV y en sí el funcionamiento simultáneo de varios sistemas de comunicaciones. En ocasiones el proceso de modulación hace posible superar algunas limitaciones inherentes de los equipos.

24 Modulación / Demodulación AM 23 Modulación Análisis en Tiempo y en Frecuencia El proceso de modulación tiene implicaciones tanto en el dominio del tiempo como en el de la frecuencia. En el dominio del tiempo, la modulación es la multiplicación de una señal de baja frecuecia (modulante = información) por una de alta frecuencia (portadora), matemáticamente se tiene: La frecuencia de la portadora debe ser por lo menos igual o mayor a 10 veces la frecuencia de la modulante.

25 Modulación / Demodulación AM 24 Modulación Análisis en Tiempo y en Frecuencia (2) En la expresión anterior una señal de 100 Hz, se modula con una señal de 1000 Hz. Desarrollando la expresión de la onda modulada, se obtienen diferentes valores de frecuencia: De lo que se concluye que la máxima frecuencia de muestreo para el ejemplo y tomando en cuenta el teorema de Nyquist, debe ser de ser por lo menos 2x fmax= 2 x 1100 Hz = 2200 Hz.

26 Modulación / Demodulación AM 25 Modulación Análisis en Tiempo y en Frecuencia (3) El proceso de modulación en el dominio de la frecuencia, tiene las siguientes características: o Una traslación del espectro de la modulante (Wm = banda base) a la frecuencia de la portadora (Wc). o Una duplicación del ancho de banda, el ancho de banda de la señal modulante en general es Wm, luego de la modulación es igual a 2Wm. Bandas laterales Portadora La herramienta matemática que se utiliza para obtener el espectro de una señal es la Transformada de Fourier.

27 Tipos de modulación Modulación / Demodulación AM 26 La explicación y los ejemplos anteriores han sido dados para una modulación AM que en general es una modulación lineal. De manera resumida existen 2 tipos de modulación: Modulación lineal: Modulación que tiene por efecto la traslación del espectro de la modulante a una zona de alta frecuencia (RF = Radio Frecuencia) conservando la forma básica del mismo. Ejemplo: modulación en amplitud (AM). Modulación no-lineal o angular: Implica la traslación a RF y expansión del espectro de la señal modulante como proceso de la modulación. Ejemplo: modulación en frecuencia (FM), modulación en fase (PM).

28 Modulación / Demodulación AM 27 Tipos de Modulación Lineal Doble banda lateral con portadora (DSB-LC) Doble banda lateral con portadora suprimida (DSB-SC) Banda lateral única con portadora (SSB-LC) Banda lateral única con portadora suprimida (SSB-SC) Banda lateral vestigial con y sin portadora (VSC-LC) Modulación por cuadratura LC: Large Carrier Con portadora SC: Suppressed Carrier Con portadora suprimida

29 Modulación / Demodulación AM 28 Espectro de una señal AM DSB- LC Para una señal AM DSB-SC, la forma del espectro es la misma, sin embargo no está presente la portadora.

30 Modulación / Demodulación AM 29 Espectro de una señal AM SSB- LC Para una señal AM SSB-SC, la forma del espectro es la misma, sin embargo no está presente la portadora.

31 Modulación / Demodulación AM 30 Espectro de una señal AM de Banda Lateral Vestigial Para una señal AM VSC-SC, la forma del espectro es la misma, sin embargo no está presente la portadora.

32 Modulación / Demodulación AM 31 Modulación AM de 1 solo tono El análisis más simple de modulación en AM es considerando un tono senoidal. De manera independiente a la modulante la portadora, es casi siempre una onda señoidal de alta frecuencia. Donde: Ac: Amplitud de la portadora x(t): modulante cosw c t: portadora m: índice de modulación

33 El índice de modulación m de AM es una medida de la variación de amplitud que rodea una portadora no modulada e indica la variación introducida por la modulación respecto al nivel de la señal original. Continuando con el análisis para un solo tono se tiene: Modulación / Demodulación AM 32 Modulación AM de 1 solo tono (2) Los valores normales de m van de 0 a 1, cuando m>1 se dice que existe sobremodulación.

34 Señal AM de acuerdo a m Modulación / Demodulación AM 33

35 Señal AM DSB- LC Modulación / Demodulación AM 34 Debido al uso de la transformada de Fourier, el espectro de la señal modulante se duplica.

36 Modulación / Demodulación AM 35 Potencia de una señal AM y ETiciencia de Transmisión POTENCIA La potencia de una onda AM es igual a la suma de la potencia de la portadora y de las bandas laterales. EFICIENCIA DE TRANSMISIÓN

37 Modulación / Demodulación AM 36 Potencia de una señal AM y ETiciencia de Transmisión (2)

38 Modulación / Demodulación AM 37 Máxima modulación de AM y sobremodulación

39 Modulación / Demodulación AM 38 Máxima modulación de AM y sobremodulación (2)

40 Modulación / Demodulación AM 39 Modulación AM multitono

41 Modulación / Demodulación AM 40 Modulación multitono

42 Modulación / Demodulación AM 41 Modulación multitono (2)

43 Modulación / Demodulación AM 42 Circuitos moduladores AM Estructura básica del proceso de modulación. Los procesos a seguir para realizar el proceso de modulación pueden ser: o Multiplicación o Conmutación o Modulación directa al sintonizado (R,L,C)

44 Modulación / Demodulación AM 43 Modulador AM con FET

45 Modulación / Demodulación AM 44 Modulador AM por conmutación

46 Modulación / Demodulación AM 45 DEMODULACIÓN Para demodular la señal (traslado de RF a banda base) es necesario recuperar la información contenida en la envolvente. En específico se utiliza un proceso de detección de envolvente. La detencción puede ser: 1. Detección de envolvente pico 2. Detección de envolvente promedio 3. Detección síncrona

47 Modulación / Demodulación AM 46 Demodulación AM de envolvente promedio A continuación se describe gráficamente el proceso.

48 Modulación / Demodulación AM 47 Demodulación AM de envolvente promedio (2)

49 Modulación / Demodulación AM 48 Demodulación AM de envolvente pico Proceso es bastante similar al anterior, el punto clave está en la detección de los picos de la modulante, por lo tanto en el diseño hay que considerar un valor adecuado de la constante de tiempo.

50 Modulación / Demodulación AM 49 Demodulación AM de envolvente pico (2)

51 Modulación / Demodulación AM 50 Demodulación AM Sincrónica o Coherente La idea es multiplicar la señal modulada por una señal de las mismas características de la portadora.

52 Modulación / Demodulación AM 51 Demodulación AM Sincrónica o Coherente (2)

53 Modulación / Demodulación AM 52 Demodulación de acuerdo a la modulación empleada

54 Modulación / Demodulación AM 53 RECEPTOR DE AM RECEPTOR HOMODINO o En un receptor homodino la señal a la frecuencia recibida se demodula sin existir algún tipo de modificación.

55 Modulación / Demodulación AM 54 RECEPTOR SUPERHETERODINO RECEPTOR DE AM (2) o En este tipo de receptor la frecuencia recibida se convierte a otra frecuencia que se llama FI (frecuencia intermedia). FI= 455 KHz. o La frecuencia intermedia es la misma para todas las frecuencias a recibir en una gama determinada. El rango de AM comercial es de 560 KHz 1600 KHz.

56 CIRCUITO DEL MEZCLADOR Modulación / Demodulación AM 55 RECEPTOR DE AM (3)

57 Modulación y demodulación en FM 56 Modulación y demodulación en FM

58 Modulación Lineal Para una modulación DSB-LC y DSB-SC el ancho de de banda de la señal modulada nunca excede el doble del ancho de banda base. En una modulación lineal la SNR de la señal modulada (lado receptor), no es mejor que la SNR en banda base. Modulación Lineal Modulación y demodulación en FM 57 Características Modulación Lineal y Modulación No - Lineal En una modulación exponencial o angular el espectro de la señal modulada se encuentra expandido respecto a la forma del espectro de la señal modulante. En una modulación exponencial o angular la SNR aumenta con el aumento del ancho de banda y sin necesidad de aumentar la potencia de transmisión. La relación señal a ruido generalmente se evalúa en el receptor y se expresa en db.

59 Modulación No - Lineal Modulación y demodulación en FM 58

60 Modulación y demodulación en FM 59 Modulación No Lineal (4) La modulación angular puede ser de 2 tipos: Modulación de frecuencia (FM frecuency Modulation) o La frecuencia de la señal varía proporcionalmente con la modulante. Modulación de Fase (PM phase modulation) o La fase de la señal modulada varía proporcionalmente con la modulante. Tanto en FM como en PM lo que varía es el ángulo de fase θ.

61 Modulación y demodulación en FM 60 Análisis modulación angular Una onda con modulación angular matemáticamente se define como:

62 Modulación y demodulación en FM 61 Portadora Modulante o moduladora (mensaje) Onda modulada en Frecuencia FM Onda modulada en Fase PM

63 Modulación y demodulación en FM 62 Análisis FM y PM (2) Para FM la desviación máxima es decir el cambio de la portadora se efectúa en los picos positivos y negativos, en este caso la desviación de frecuencia es proporcional a la amplitud de la señal modulante. Para PM la desviación máxima de frecuencia (cambio de frecuencia) se efectúa durante los cruces de la señal modulante por cero, es decir la desviación de frecuencia es proporcional a la pendiente de la primera derivada de la señal modulante.

64 Modulación y demodulación en FM 63 Modulación FM de 1 solo tono Modulación de 1 solo tóno modulante (1 señal a modular).

65 Modulación y demodulación en FM 64 Modulación FM de 1 solo tono (2) El índice de modulación β se define como la relación entre la desviación de frecuencia sobre el ancho de banda de la señal en banda base. De forma general cuando aumenta la amplitud de la modulante aumentará el ancho de banda de la señal modulada, y esto corresponde a un aumento en la variación de frecuencia (Δf) entonces se puede esperar que el ancho de banda de la señal modulada dependa de β.

66 Modulación y demodulación en FM 65 Potencia en FM Características Es independiente de la señal modulante (Potencia = cte). En la práctica es la misma potencia de la portadora no modulada.

67 Potencia en FM (2) Modulación y demodulación en FM 66

68 Potencia en FM (3) Fundamentos de Comunicaciones 67 Analizando en primera instancia el espectro sería:

69 Análisis Espectral de FM Modulación y demodulación en FM 68

70 Modulación y demodulación en FM 69 Potencia en FM 1 Tono Si no hay modulación la energía solo permanece en la portadora. Para un tono se tiene:

71 Modulación y demodulación en FM 70 Potencia en FM 1 Tono (2)

72 Modulación y demodulación en FM 71 Potencia en FM - Ejercicio

73 Valores de B Modulación y demodulación en FM 72 Los valores de β se encuentran tabulados en diferentes fuentes bibliográficas, adicionalmente es posible calcular cualquier valor empleando Matlab TM o Excel. En excel por ejemplo la función es =BESSELJ(argumento; orden).

74 Modulación y demodulación en FM 73 Cálculo de la potencia en FM

75 Modulación y demodulación en FM 74 Potencia en FM - Ejercicio

76 Modulación y demodulación en FM 75 Modulación FM multitono

77 Modulación y demodulación en FM 76 Modulación FM multitono (2)

78 Modulación y demodulación en FM 77 Ancho de banda de una señal FM

79 Modulación y demodulación en FM 78 Estimación del ancho de banda Utilizando funciones de Bessel

80 Modulación y demodulación en FM 79 Estimación del ancho de banda (2)

81 Existen 3 métodos: Modulación y demodulación en FM 80 Estimación práctica del ancho de banda

82 Modulación y demodulación en FM 81 Generación de Señales FM GENERACIÓN DE FM DIRECTA (MÉTODO DIRECTO) o En este tipo de modulación la frecuencia de la portadora es modulada directamente hasta el nivel de desviación de la frecuencia deseada de acuerdo con la señal modulante. (uso de oscilador) GENERACIÓN DE FM INDIRECTA (MÉTODO INDIRECTO) o Este método usa generalmente una primera etapa de generación de FM de banda estrecha, luego utilizando multiplicadores de frecuencia se eleva el nivel de desviación al valor deseado.

83 Modulación y demodulación en FM 82 Generación de FM Indirecta

84 Modulación y demodulación en FM 83 Generación de FM Directa Este método de generación de señales FM se realiza por medio de un oscilador en el cual el circuito que determina la frecuencia es un circuito resonante de alta calidad, cuya capacitancia o inductancia varían proporcionalmente a la señal modulante.

85 Modulación y demodulación en FM 84 Circuitos Moduladores con PLL Modulador con PLL Phase Locked Loop o PLL es un lazo de seguimiento o aseguramiento, y está formado por un comparador de fase, un filtro pasabajos y un oscilador controlado por voltaje VCO. o PLL es un circuito que permite controlar la frecuencia y la fase del VCO.

86 DEMODULACIÓN FM Modulación y demodulación en FM 85 En FM la información está incorporada en la frecuencia, sin embargo antes de demodular es necesario utilizar limitadores debido a que durante el proceso de transmisión se incorporan variaciones espurias de amplitud en la señal. Para una detección sin distorsión la amplitud de la señal FM debe ser constante, es necesario eliminar éstas variaciones de amplitud. Detector inmune a las variaciones de amplitud, detector de relación o de razón.

87 Modulación y demodulación en FM 86 Demodulación FM Uso del limitador

88 Modulación y demodulación en FM 87 Proceso de demodulación FM La idea para demodular una señal modulada en FM es emplear los mecanismos necesarios para tratar a FM como AM y luego emplear la deteccción de envolvente. Para conseguir que FM se comporte como AM, hay que conseguir que las variaciones de frecuencia representen variaciones de voltaje, esto se lo consigue empleando derivación (uso de red derivadora).

89 Modulación y demodulación en FM 88 Proceso de demodulación FM (2) Entonces, empleando una red derivadora se provocan los cambios suficientes para tratar FM como AM, en específico lo que se pretende realizar es una detección de la envolvente para recuperar la modulante, exactamente el mismo proceso que en AM. El diagrama de bloques del demodulador FM se presenta a continuación.

90 Modulación y demodulación en FM 89 Los demoduladores también llamados detectores de FM son circuitos dependientes de la frecuencia diseñados para producir un voltaje de salida proporcional a la frecuencia instantánea en su entrada, hay varios circuitos utilizados para demodular FM entre ellos los siguientes. Detector de pendiente. Discriminador Foster-Seeley. Detector de relación. Demodulador PLL. Detector de cuadratura. Tipos de Demoduladores FM

91 Modulación y demodulación en FM 90 Demodulador con PLL y Demodulador en Cuadratura Demodulador con PLL Demodulador en Cuadratura

92 Fundamentos de Comunicaciones 91 BibliograTía [1] Espectro radioeléctrico en Ecuador, Secretaría Nacional de Telecomunicaciones. [2] Couch, León, Sistemas de Comunicaciones Digitales y Analógicas, séptima edición, Prentice Hall, 2008, México [3] Tomasi, Wayne, Sistemas de Comunicaciones Electrónicas, cuarta edición, Prentice Hall, 2003, México [4] Schwartz, Mischa, Información, Transmission, Modulación, and Noise, tercera edición, Mc. Graw Hill, 1986, USA. [5] Carlson, A.B. Communications Systems, tercera edición, Mc. Graw Hill, 1986, USA.