Anexo 2: Técnicas de transmisión

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1 Anexo 2: Técnicas de transmisión

2 1. TRANSMISIÓN DIGITAL DE SEÑALES ANALOGICAS Como se dijo anteriormente los sistemas analógicos, se pueden transformar en sistemas digitales por las ventajas que estos aportan. Para poder llevar a cabo esta tarea es necesario realizar una serie de procesos, más o menos complicados, pero que a la larga supondrán una mejor calidad del servicio para todos. El paso principal, es convertir la señal de Analógica a Digital. A/D Esta conversión necesita de tres pasos. Muestreo, Cuantificación y Codificación MUESTREO CUANTIFICACIÓN CODIFICACIÓN A este conversor, es lo que se llama CODEC 1.1. MUESTREO Una aproximación simple del muestreo, se consigue por medio de la operación de conmutación, es decir, coge pequeñas partes de la señal de entrada en un instante dado. Estas pequeñas partes se llaman muestras, quedando a la salida del bloque del muestreador una señal discreta, como la de figura. El tiempo que pasa entre una muestra y la siguiente, se llama tiempo de muestreo (Tm), y viene definido por la frecuencia de muestreo (Fm). El calculo de esta frecuencia se realiza por medio de teorema de muestreo o Nyquist, que viene a decir, si el ancho de banda de la señal de datos (el ancho de banda necesario para que la señal recibida se corresponda con la señal emitida, o sea para que la deformación sea mínima) es W, para que las bandas laterales no se solapen, la frecuencia de muestreo fs, deber ser como mínimo: fs W >= W de donde obtenemos la frecuencia de muestreo mínima f s >= 2 W 239

3 a esta frecuencia se la denomina velocidad de Nyquist y una demostración más rigurosa se obtiene por medio de la teoría del muestreo, Por lo tanto, la velocidad de muestreo debe ser: f s >= 2 W El período del muestreo resulta Ts = 1 / fs = 1/2W Por esto se puede deducir, que antes que la señal entre en el muestreador tiene que ser filtrada por un filtro Pasa Bajo, cuya frecuencia de corte sea W. Si fs < 2W, la señal obtenida no responde exactamente a la señal muestreada, debido al efecto de interferencia de las coles espectrales (aliasing), produciéndose el efecto como se ve en la figura siguiente: Si se quisiese dejar una banda de Guarda (BG), para evitar más aún la interferencia de las coles se tendría que muestrear a la siguiente frecuencia f s >= 2 W +BG 240

4 1.2. CUANTIFICADOR: Hay dos tipos de cuantificador Uniforme y no Uniforme (utilizado este en telefonía). La misión del cuantificador es dar unos valores de entre un rango a los infinitos valores que tienen las muestras. Ya que sino el circuito a realizar sería muy complejo de realizar. El cuantificador está formado por una serie de niveles y hará corresponder al valor de la muestra al nivel más adecuado o cercano para minimizar el error. Todas las regiones de cuantificación tienen el mismo tamaño (i) Con N niveles de cuantificación, se tienen necesitan log 2 (N) bits para representar los valores cuantificados. Eso quiere decir, que cada muestra se codificará con el log 2 (N) bits Ejemplo: Si se tiene un cuantificador de 256 niveles Cuántos bits se necesitan para que quede totalmente definido? Con cuántos bits se codificará cada muestra? La Respuesta es de 8 bits para los dos preguntas, ya que, log 2 (256)=8 Cuantos más bits se codifique una muestra, mas niveles tiene ese cuantificador y por tanto, más calidad tiene. 241

5 1.3. CODIFICACIÓN En la modulación de pulsos codificados (PCM = Pulse Code Modulation) o codificación MIC, como se ha comentado anteriormente se va a codificar el nivel del cuantificador al que le corresponde la muestra, pero lo hace, según el criterio de la figura. Siendo n el nº de bit y L el nº de niveles. Vamos a ver el ejemplo de la figura, si son 8 niveles se necesitan 4 bits, pues los tres primeros de menos valor definen el nivel, y el más significativo el signo de la muestra. Aprovechando la codificación MIC, en Telefonía se utiliza la técnica MIC-MDT, siendo MDT (Multiplexacion en el Dominio del Tiempo). Esta técnica consiste básicamente en asignar turnos, para que los diferentes canales se trasmitan en unos intervalos determinados. En cada uno de estos canales habrá una comunicación distinta. Las técnicas de multiplexación se utilizan para poder enviar por un mismo canal, varias comunicaciones de forma simultanea. En Europa, la técnica MIC-MDT tiene 30 canales de información y dos de control (sincronismo o alineación de trama y de control), por ello se denomina MIC-MDT

6 Para la digitalización de cada canal utiliza una frecuencia de muestreo de 8KHz, es decir un periodo de muestreo de 125ms. Cada muestra se codifica con 8 bits por lo que el régimen binario resultante para un canal vocal es de 64Kbps. Se utiliza una cuantización no uniforme basada en la ley de compresión A (no estudiada por complejidad matemática). Para la multiplexión de los 30 canales digitales se monta una trama en la que se va a enviar una muestra de cada uno de los canales, la multiplexión se realiza octeto a octeto, como se aprecia en la figura. De modo que para mantener el régimen binario de 64Kbps por canal la duración de la trama necesariamente será 125ms. Además de la información de los canales se añade información de control e información de señalización. El primer intervalo de tiempo de la trama se utiliza para tareas como la alineación de trama y control de alarmas. El intervalo de tiempo 16 se utiliza para enviar la información de señalización. De manera que en total se necesitan 32 intervalos de tiempo de 8 bits, 30 para canales vocales, uno para tareas de control y otro para señalización, lo que da un régimen binario del flujo resultante tras la multiplexión 2048 Kb/s. Para calcular el régimen binario de una trama MIC-MDT, se recurre a la siguiente ecuación: RB = N * n * F m Siendo N: el nº de canales a transmitir, n: el nº de bit por canal; F m : La Frecuencia de Muestreo. Ya se sabe cual es el procedimiento para pasar la señal Analógica a Digital. Esa señal digital como hemos visto es la típica de 1 (nivel alto) 0 (nivel Bajo), lo que en códigos de línea se llama NRZ. No todos los códigos digitales son buenos para la transmisión (Componente continua, difícil de extracción del reloj, poca eficacia espectral, poca inmunidad al ruido, etc), Por ello, hay que elegir el mejor código dependiendo de la aplicación en concreto y las características del canal. Los códigos mas utilizados en comunicaciones son: 243

7 2. MODULACION DE LA SEÑAL Modular una señal es cambiar o modificar alguna de las propiedades de una señal, para que pueda enviar información por un canal determinado. El hecho de modular significa que hay una traslación en frecuencia, es decir, desplazamos la señal en el dominio de la frecuencia. Para qué se modula? bien para salvar algunas interferencias o atenuaciones fuertes que se producen en canal, en el rango de frecuencias de la señal de datos, bien para hacer que la señal se transmita más lejos, o bien simplemente para que la señal pueda ser transmitida por el canal. En todo proceso de modulación intervienen tres señales: Moduladora; Portadora; Modulada. Moduladora: Señal que tiene la información a transmitir. Portadora: señal típicamente senoidal, que ayuda a la moduladora a ser transmitida. Modulada: Señal resultado de las dos anteriores por el efecto de modular. Dependiendo de que la señal moduladora sea analógica o digital, su hablará de modulación Analógica o modulación Digital respectivamente. Todo proceso de modulación tiene otro de demodulación en recepción. 244

8 2.1. MODULACIÓN ANALOGICA Hay dos tipos principalmente AM y FM. En modulación de AM (Modulación en Amplitud), La amplitud de la señal portadora varía conforme varia la amplitud de la señal moduladora. Señal Moduladora (Datos) Señal Portadora Señal Modulada 245

9 En modulación de FM (Modulación en Frecuencia), La frecuencia de la señal portadora varía conforme varia la amplitud de la señal moduladora. Señal Moduladora (Datos) Señal Portadora Señal Modulada 246

10 2.2. MODULACIÓN DIGITAL Hay varios tipos principalmente ASK, FSK, PSK, QAM. Actualmente la transmisión digital se está utilizando o se va a utilizar en breve en casi todas las tecnologías, en transmisión de datos por la línea telefónica, TDT, DAB (radio digital), etc. Si bien el uso mas conocido sea la de enviar datos del PC por la línea telefónica, haciendo un poco de historia, la red telefónica se diseño originalmente para recibir, conmutar y transmitir señales analógicas en el rango de frecuencias de voz (300 a 3400Hz). Por lo tanto esta red no era del todo adecuada para la transmisión de señales digitales. No obstante se pueden conectar dispositivos digitales mediante el uso de módems (modulador-demodulador), los cuales convierten los datos digitales en señales analógicas y viceversa. Los módems telefónicos, se utilizan en la red telefónica para producir señales en el rango de frecuencias de voz, los módems de banda ancha, por ejemplo los módems ADSL y los módems de cable o cablemodems, utilizan las mismas técnicas pero a frecuencias más altas que las de la voz humana. MODEM MODEM Dentro del grupo de transmisiones con señales de transmisión analógicas y datos digitales tenemos los siguientes casos de técnicas de modulación o codificación dependiendo del parámetro de la señal portadora que es afectado. Desplazamiento de amplitud ASK (Amplitudes-shift keying) Desplazamiento de frecuencia FSK (Frequency-shift keying) Desplazamiento de fase PSK (Phase-shift keying) Modulación en Amplitud en cuadratura QAM (Quadrature Amplitude Modulation) 247

11 ASK Desplazamiento de amplitud ASK (Amplitudes-shift keying), es una modulación de amplitud donde la señal moduladora (datos) es digital. Los dos valores binarios se representan con dos amplitudes diferentes y es usual que una de las dos amplitudes sea cero; es decir uno de los dígitos binarios se representa mediante la presencia de la portadora a amplitud constante, y el otro dígito se representa mediante la ausencia de la señal portadora. En este caso la señal moduladora vale La señal modulada puede representarse gráficamente de la siguiente manera La técnica ASK se utiliza para la transmisión de datos digitales en fibras ópticas, en los transmisores con LED. Es decir, un elemento de señal se representa mediante un pulso de luz, mientras que el otro se representa mediante la ausencia de luz. El ancho de banda del canal necesario para poder dar ASK viene determinado por B ASK = 2B Donde B Ancho del canal ideal 248

12 FSK (Frequency-shift keying) Es una modulación de frecuencia donde la señal moduladora (datos) es digital. Los dos valores binarios se representan con dos frecuencias diferentes (f1 y f2) próximas a la frecuencia de la señal portadora fp. El ancho de banda del canal necesario para poder dar FSK viene determinado por: B FSK = 2( B + f ) Donde B Ancho del canal ideal, y f es la desviación de frecuencia. La desviación de frecuencia es la diferencia de frecuencia entre la portadora l y la frecuencia del 1 ó el 0 249

13 PSK Desplazamiento de fase PSK (Phase-shift keying), es una modulación de fase donde la señal moduladora (datos) es digital. En PSK el valor de la señal moduladora está dado por Este tipo de modulación puede tener más de una fase, especificándose en tal caso en el nombre, Por ejemplo PSK-4 (QPSK), es decir PSK con 4 fases, PSK-8 es decir, PSK con 8 fases, etc. El ancho de banda del canal necesario para poder dar PSK viene determinado por: 2* B B PSK = log 2 θ siendo θ el nº de fases 250

14 QAM Quadrature Amplitude Modulation Es una combinación de la ASK y PSK. Esta es la modulación menos susceptible al ruido, por ello es la que se está utilizando actualmente en casi todas las transmisiones digitales. Con esta modulación se pueden obtener velocidades de hasta 56000bps (V90). El aspecto que tendría la señal modulada es el siguiente. Se ve que cambia tanto de amplitud como de fase. El calculo de el ancho de banda del canal necesario, es igual que en PSK. Los MODEM definen su funcionamiento conforme a unas normas V.xx, que especifican entre otras cosas la modulación que utilizan, por ejemplo V.23, V29, V90, etc. MODEMs BAJA VELOCIDAD ( bps) FSK, PSK. V.21, V.22, V.22 bis, V.23, V.26, V.26 bis, V.26 tris MODEMs MEDIA VELOCIDAD ( bps) DPSK, QAM. V.27, V.27 bis, V.27 tris, V.29, V.32 MODEMs ALTA VELOCIDAD ( bps) QAM, TCM. V.32 bis, V.32 tris, V.33, V.34, V.90, V

15 Ejemplo de la norma V.21 Comunicación asíncrona Modulación FSK Dos canales en un canal telefónico Canal origen 1080 Hz (980 Hz (1), 1180 Hz (0)) Canal destino 1750 Hz (1650 Hz (1), 1850 Hz (0)) Velocidad de transmisión (baudios): 300 baudios Velocidad de transmisión (bps): 300 bps Poco utilizado por ser de baja velocidad Ejemplo de la norma V.32 Comunicación síncrona Modulación 32 QAM con código TCM Un canal (Full-Duplex por cancelación de eco) Canal 1800 Hz Velocidad de transmisión (baudios): 2400 baudios Velocidad de transmisión (bps): 9600 bps 252