I.1. CONCEPTOS BÁSICOS E HISTORIA

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1 Tema I. Inroducción I.1. CONCEPTOS BÁSICOS E HISTORIA I.2. SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN N Y SISTEMAS DE TRANSMISIÓN Teoría de la Comunicación, 2º Ing. de Telecomunicación Escuela Poliécnica Superior, Universidad Auónoma de Madrid Jorge A. Ruiz Cruz (jorge.ruizcruz@uam.es, Teoría de la Comunicación 1 I.2. SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN Y SISTEMAS DE TRANSMISIÓN I.2.1. Deiniciones. I.2.2. Clasiicación de los sisemas de ransmisión. I.2.3. Parámeros de calidad y recursos de un sisema de ransmisión. I.2.4. Tipos de canales y sus caracerísicas. I.2.5. Modelos maemáicos de canales. I.2.6. Comparición de canal. Muliplexación de la inormación. I. Inroducción. 2

2 I.2.1. Deiniciones Sisema de Telecomunicación: - Conjuno de elemenos que hacen posible la ranserencia de inormación enre punos disanes - Subsisema de ransmisión (enlaces) - Subsisema de conmuación (nodos) -Terminales Subsisema de Transmisión: - Conjuno de equipos (ampliicadores, moduladores, codiicadores, ), acilidades (medios de ransmisión) y recursos en espacio, iempo, recuencia, para el ranspore de una señal desde un puno de acceso de la red a oro I.2. Sisemas de Telecomunicación y Sisemas de Transmisión. 3 Diagrama de bloques de un Sisema de Telecomunicación: Fuene de Inorm. Transmisor Canal Recepor Desino Perurbaciones Sis. de Transmisión Fuene de inormación. Elemeno que genera la inormación. Esa puede ser analógica o digial, lo que condiciona el ipo de sisema de comunicación: - Analógica: inormación a ransmiir es una señal coninua en el iempo x(). Ej: voz (salida de un micróono), emperaura (salida de un sensor) x() - Digial: inormación consise en símbolos pereneciene a un alabeo inio y se envía a inervalos de iempo ijos. Ej: cada T segundos se envía bien un 0 (0 volios), bien un 1 (5 volios). Señal enviada al canal Canal: Medio ísico por el que se envía la inormación. Inroducirá perurbaciones en la señal de inormación. I.2.1. Deiniciones 4

3 Transmisor: Elemeno que prepara la inormación para ser enviada por el canal. Adapa la señal a la orma requerida por el canal y le da la poencia necesaria. - Exisen dos esraegias undamenales: banda base y modulación de canal La ransmisión en banda base consise en enviar la señal de inormación direcamene al sisema de ransmisión: Perurbaciones (inroducción de ruido, disorsión,..) Fuene Ampliicación ransmisión Transmisión (aenuación) Ampliicación recepción Filrado Desino x() 0 X() B H() (canal) (B=ancho de banda=recuencia máxima de la señal de inormación) I.2.1. Deiniciones 5 La ransmisión con modulación consise en rasladar las componenes especrales de la señal a recuencias más alas: x() y() Canal cosω c x() y()=x()cosω c cosω c Poradora Poradora X() Y() - c 0 c I.2.1. Deiniciones 6

4 Modulación: modiicar alguna caracerísica de una señal de ipo sinusoidal de acuerdo a la señal de inormación. El especro de la señal resulane esará concenrado en orno a la recuencia de la poradora. Se realiza con alguno (o varios) de los siguienes objeivos: - Adapar la señal de inormación a la banda de recuencias en las que el canal iene mejores caracerísicas. - Para muliplexar el canal enre varios usuarios (ej: muliplex en recuencia FDMA). - Para combair el ruido e inererencias. Recepor. Elemeno cuya unción es recuperar la inormación con la mayor idelidad posible: - Recuperar la inormación: si ha habido modulación, realizará la demodulación; en caso conrario, se limiará a ampliicar. - Fidelidad: Rechazar (ilrar) odas las señales que no se correspondan con la deseada. En analógico, esos signiica que la señal recibida sea lo más parecida a la enviada. En digial, que cuando se ransmie un 1 (0), se reciba un 1 (0). I.2.1. Deiniciones 7 I.2.2. Clasiicación de los sisemas de ransmisión Clasiicación Sis. Tx. de acuerdo a la direccionalidad: (F: Fuene; D:Desino) -A) Duplex: exise inercambio de inormación en ambos senidos simuláneamene (Ej: eleonía convencional) F1 D2 D1 F2 -B) SemiDuplex: ambos senidos alernaivamene (Ej: radiocomunicaciones móviles, elex) F1 D1 -C) Simplex: Sólo es posible en un senido (Ej: radiodiusión) D2 F D F2 -D) Diplex: Transmisión simulánea de dos inormaciones de disina nauraleza sobre una misma poradora (Ej: TV analógica, con imagen y sonido sobre la misma poradora I.2. Sisemas de Telecomunicación y Sisemas de Transmisión. 8

5 Clasiicación Sis. Tx. de acuerdo al sopore de la bidireccionalidad: - A) Transmisión a 4 hilos: F1 D2 D1 F2 F1 D1 - B) Transmisión a 4 hilos equivalene: D2 F2 I.2.2. Clasiicación de los sisemas de ransmisión 9 Clasiicación Sis. Tx. de acuerdo al sopore de la bidireccionalidad (con.): - C) Transmisión a 2 hilos: F1 D2 p1 p3 p2 D1 F2 - El circuio que dirige las señales se llama bobina híbrida: p2 p2 p1 p3 (no hay ranserencia de señal de 3 a 2 o de 1 a 3) p1 p3 I.2.2. Clasiicación de los sisemas de ransmisión 10

6 Clasiicación Sis. Tx. de acuerdo a la écnica de ransmisión (analógica/digial): - Caracerísicas de la ransmisión analógica: * Todas los componenes de la red (líneas, erminaciones, conmuaciones) conribuyen a la degradación de la señal * Inormación y señalización deben ransmiirse sin exceder los límies especíicos para disorsión (ampliud y reardo), ruido, diaonía, * Conrol poco lexible (limia la incorporación de servicios avanzados) - Caracerísicas de la ransmisión digial: la idea clave es la regeneración de señal (rene a los sisemas analógicos, donde la inormación puede omar ininios valores y no hay posibilidad de regeneración) Transmisión Umbral de decisión Regeneración La señal que se recibe ha sido perurbada por un sisema con ancho de banda inio y por ruido I.2.2. Clasiicación de los sisemas de ransmisión. 11 Venajas de los sisemas digiales: - Facores ecnológicos: Tecnología sencilla y uniorme (circuiería mucho más iable, lexible, ácil de uilizar) e independiene de la nauraleza u origen de la inormación. - Facores sisémicos: soporan con el mismo ormao una variedad muy grande de señales: audio, vídeo, daos, eleonía, ax,, lo que acilia el ajuse, conrol e inegración de servicios. - Facores económicos: Debido a los dos punos aneriores se consigue economía de escala y aprovechar la sinergia de la convergencia de la inormáica y las comunicaciones - Permien el acceso múliple por división en el iempo (TDMA), además del FDMA, así como oros ipos de muliplexación más soisicados (CDMA) Limiaciones de los sisemas digiales: - Se requiere una pereca sincronización de odo el sisema (conrol de reardos, circuios recuperadores de reloj, ) - Normalmene ocupan un ancho de banda mayor que los sis. analógicos, aspeco que se soslaya con compresión (p. ej. en la codiicación de uene) y modulaciones de ala eiciencia especral - Si la uene de inormación es analógica, se requiere conversión A/D y D/A. I.2.2. Clasiicación de los sisemas de ransmisión. 12

7 I.2.3. Parámeros de calidad y recursos de un sisema de elecomunicación La medida de la calidad inal de un sisema de comunicaciones depende del ipo de inormación ransmiida (analógica/digial) Calidad en sisemas analógicos: semejanza enre la señal a la salida del recepor y la señal de inormación original (idelidad con la que se recibe la señal original) - Si la única uene de degradación es el ruido, la señal recibida puede descomponerse en señal más ruido y deinir calidad como: SNR=Signal o Noise Raio=S/N= cociene enre la poencia de señal y poencia de ruido (normalm. se expresa en db) - Si además aparecen oros perurbaciones, se deine S/(N+D+I), donde S es la señal sin perurbaciones y N+D+I es la suma de las poencias de Ruido, Disorsión e Inererencia,... = + Señal recibida Señal deseada (po. S) Ruido (po. N) I.2. Sisemas de Telecomunicación y Sisemas de Transmisión. 13 Calidad en sisemas digiales: semejanza enre los bis decodiicados en el recepor y los bis enviados. - Cuando la señal en los sisemas digiales se degrada, lo que ocurre es que el recepor se equivoca cuando decide que símbolo se ha ransmiido. - El parámero que deine la calidad es la asa de error de bi: BER=Bi Error Rae=Probabilidad de error=p e =cociene enre el número de bis erróneos recibidos sobre el número oal de bis ransmiidos Un sisema de comunicaciones esá diseñado en un conexo de numerosas limiaciones: cose, consumo de energía, ecnologías disponibles, Pero, con que recursos se cuena para garanizar la calidad? Dos recursos especialmene imporanes, porque limian las posibilidades de implanar oros sisemas de comunicaciones son: ancho de banda y poencia ransmiida I.2.3. Parámeros de calidad y recursos de un sis. de elecom. 14

8 Recursos básicos de un sisema de Telecomunicación: - Ancho de banda: relacionado con la máxima canidad de inormación que se puede ransmiir con una calidad deerminada por un canal dado - Caso Analógico: Dado un grado máximo de disorsión, el ancho de banda limia la máxima velocidad de cambio de la señal Señales que ocupan más ancho de banda: poencialmene pueden llevar más inormación - Caso Digial: Ancho de banda limia el número máximo de bis ransmiidos por segundo - Poencia: a mayor poencia ransmiida, mayor SNR y menor BER. En conraparida, el sisema resulane es mucho más caro (consume más y sobre odo ineriere más a oros sisemas de comunicación) I.2.3. Parámeros de calidad y recursos de un sis. de elecom Ancho de banda en sisema de elecomunicación (con.): - Sisemas analógicos: las variaciones bruscas de la señal son suavizadas por la anchura inia de la banda del canal Canal - Sisemas digiales: la banda del sisema limia la velocidad binaria del sisema Canal (de Burgos, Pérez, Salazar, Teoría de la Comunicación, Publicaciones ETSIT-UPM, 1999) I.2.3. Parámeros de calidad y recursos de un sis. de elecom. 16

9 I.2.4. Tipos de Canales y sus caracerísicas Canal: medio ísico por el que se envía la inormación. El ipo de canal viene marcado undamenalmene por la banda de recuencia empleada en la comunicación, que a su vez esá esrechamene relacionada con el ipo de servicio/aplicación del sisema. Hay dos grandes ipos: los medios guiados ( cables ), y los medios sin hilos (propagación por onda radioelécrica) (además, podrían considerarse los enlaces en el mar y los medios de almacenamieno) - A) Medios guiados (cables): - B) Medios sin hilos (propagación de onda radioelécrica): - requieren insalación y manenimieno de línea - La poencia se aenúa según exp(-2αd), donde α es una consane que depende del medio guiado y d es la disancia - Con poner las anenas es suiciene, pero la señal puede no ser esable (condiciones amoséricas, relexiones, ) - La poencia se aenúa según ce/d 2, I.2. Sisemas de Telecomunicación y Sisemas de Transmisión. 17 A) Tipos de canales (medios) guiados: -A.5) Fibras ópicas: no hay conducores, aenuación muy baja, dielécricos de decenas de micras de grosor. Anchos de banda de GHz s -A.4) Guías de onda: un sólo Anchos de banda de conducor. Muy ala poencia cienos de MHz -A.3) Líneas planares: dos conducores -A.2) Coaxial: dos conducores. Anchos de banda de decenas de MHz -A.1) Par renzado: dos conducores. Anchos de banda de cienos de KHz (de J.G. Proakis, M. Salehi, Communicaion sysems engineering, 2nd ed., Prenice-Hall 2002 I.2.4. Tipos de Canales y sus caracerísicas. 18

10 B) Tipos de canales sin hilos (ondas radioelécricas): - B.1) Onda de supericie (ground wave) (300KHz-3MHz): onda que se propaga por la supericie erresre * rango exendido enre 10KHz-10MHz * largos alcances, gran esabilidad de señal ierra * suelo inluye noablemene en la propagación - B.2) Onda ionosérica (sky wave) (3MHz-30MHz): propagación por relexión en las capas ionizadas de la amósera * por debajo de 3 MHz son absorbidas y por encima de 30 MHz escapan ionosera * largos alcances, señal inesable ierra I.2.4. Tipos de Canales y sus caracerísicas. 19 B) Tipos de canales sin hilos (ondas radioelécricas) (con.): - B.3) Onda espacial (Ligh O Sigh, LOS)(>30MHz): la propagación se realiza a ravés de las capas bajas de la amósera erresre (roposera). El enlace se produce por visión direca enre ransmisor y recepor, por lo que requiere anenas en orres alas para cubrir disancias grandes. Submodos: * Onda direca: enlaza ransmisor con recepor * Onda relejada: coneca ransmisor y recepor a ravés de una relexión en el erreno subyacene * Onda mulirayeco: Ondas que alcanzan el recepor ras surir múliples relexiones en las capas ronerizas enre esraos roposéricos. Pueden provocar inererencias desrucivas. - B.4) Onda de dispersión roposérica: se basa en relexiones debidas a variaciones urbulenas de las consanes ísicas de la roposera * variaciones del índice de reracción provocan relexión dispersiva. * Pérdidas muy elevadas y desvanecimienos proundos. I.2.4. Tipos de Canales y sus caracerísicas. 20

11 Bandas de recuencias en comunicaciones sin hilos (radiocomunicaciones) y sus usos: (de J.G. Proakis, M. Salehi, Communicaion sysems engineering, 2nd ed., Prenice-Hall 2002 I.2.4. Tipos de Canales y sus caracerísicas. 21 Bandas de recuencias en comunicaciones sin hilos (radiocomunicaciones ) y sus usos (con.): Tabla de R. E. Ziemer, W. H. Traner, Principles o Communicaions, John Wiley and Sons I.2.4. Tipos de Canales y sus caracerísicas. 22

12 Bandas de recuencias en comunicaciones y ecnología de circuios asociadas: 1 KHz MHz 1-30 GHz 1 THz Circuios inegrados digiales (DSP) Circuios inegrados analógicos Cavidades meálicas Líneas de ransmisión Circuios ópicos (láseres, ibras) Onda media VHF Microondas Ópicas Onda cora Longiud de onda UHF Miliméricas Frecuencia I.2.4. Tipos de Canales y sus caracerísicas. 23 I.2.5. Modelos maemáicos de canales Por qué se habla de modelos de canales? Porque en sisemas de elecomunicación es muy habiual considerar que los ransmisores y recepores son ideales y aribuir al canal los eecos indeseados (disorsión, ruido, ec...) A) Canal con ruido adiivo: - Es el modelo más simple que incluye perurbaciones B) Canal lineal e invariane (LTI) con ruido adiivo: - Es un modelo real de los canales visos en las paginas aneriores (cables, ibras, ondas radioelécricas, ) en condiciones esacionarias, en el que las perurbaciones se modelan como una señal de ruido I.2. Sisemas de Telecomunicación y Sisemas de Transmisión. 24

13 C) Canal lineal (sin la condición de invarianza emporal) con ruido adiivo: - La relación enre y() y x() ya no se puede expresar en la recuencia con una simple muliplicación de sus especros asociados - Ej: Comunicaciones móviles D) Oros: con perurbaciones de oro ipo, inererencias,... En ese curso se usará el modelo de canal lineal e invariane (LTI) con ruido adiivo (modelo B), donde el ruido será un proceso esocásico esacionario y ergódico de ipo blanco y gaussiano I.2.5. Modelos maemáicos de canales. 25 I.2.6. Comparición de canal. Muliplexación de la inormación. En casi odos los sisemas de elecomunicación suele cumplirse que un canal iene más capacidad que la requiere la ransmisión de un único usuario. - Ej: la señal de voz iene ancho de banda de KHz s y un coaxial permie anchos de banda de MHz s Por ello deben esablecerse los mecanismos para que las comunicaciones de varios usuarios puedan comparir un mismo canal, sin que inerieran unas con oras. - Muliplexación por División en Frecuencia (FDM): disinos usuarios usan recuencias de emisión dierenes Esquemas ípicos - Muliplexación por División en Tiempo (TDM): los usuarios uilizan el canal por urnos, durane un iempo que se le asigna solo a el. - Muliplexación por División de Código (CDM): la señal de cada usuario se marca con un código, de modo que aunque esas señales comparan el canal (uilizando la misma banda de rec. y ransmi. simulán.), las comunicaciones pueden separarse. I.2. Sisemas de Telecomunicación y Sisemas de Transmisión. 26

14 Muliplexación por División en Frecuencia (FDM) 0 F1 Tx1, 1 Rx1, 1 D1 F2 Tx2, 2 Rx2, 2 D Canal... 0 FN TxN, N RxN, N DN Especro de la señal enviada al canal N recuencia Bandas de guarda - Ej clásico: radiodiusión - Se hace ano en sisemas analógicos como en digiales I.2.6. Comparición de canal. Muliplexación de la inormación. 27 Muliplexación por División en el Tiempo (TDM) F1 D1 F2... Canal... D2 FN DN Sincronización Forma de onda de la señal enviada al canal... iempo iempo de guarda - Ej: Red de área local (LAN) - Suele esar asociado a sisemas digiales I.2.6. Comparición de canal. Muliplexación de la inormación. 28