SISTEMAS DE COMUNICACIONES

SISTEMAS DE COMUNICACIONES I. OBJETIVO: El laboratorio tiene como propósitos familiarizar al alumno con los conceptos fundamentales de los sistemas de comunicación electrónicas y explicar la terminología necesaria para entender estos temas. II. SUSTENTO TEÓRICO: INTRODUCCIÓN: El hombre siempre ha sentido la necesidad de intercambiar información, y aunque al principio lo logró con señales visuales (espejos, humo, etc.) su expansión sobre la tierra lo obligó a perfeccionar estos medios de comunicación. Hoy en día el método más rápido, eficiente y de mayor cobertura es la transmisión y recepción de mensajes en forma eléctrica. El avance logrado en esta área prácticamente ocupa los últimos 150 años y los descubrimientos más importantes se muestran cronológicamente a continuación: PERIODO DESCUBRIMIENTO / DESARROLLO 1870-1880 Teléfono, micrófono. 1890-1900 Señales de radio, telegrafía inalámbrica. 1900-1920 Amplificador de radio, transmisión AM. 1920-1930 Radar, cable coaxial. 1930-1940 transmisión FM, Televisión. 1940-1950 Transistor. 1950-1960 LASER. 1960-1970 Comunicaciones satelitales. 1970-1990 Transmisión espacial, RDSI, comunicaciones personales. 1990-2003 Integración de redes y diferenciación de servicios. Para entrar en el mundo de las comunicaciones, necesitamos conocer: - La representación matemática de las señales eléctricas. - Las modificaciones que sufren estas señales para poder ser transmitidas. - Los posibles medios de transmisión. - Los problemas básicos de los sistemas de comunicaciones tales como el ruido al cual es necesario encontrarle una descripción estadística así como otros elementos de perturbación. LABORATORIO DE TEORÍA DE COMUNICACIONES IEE255 1

SEÑALES En esencia las comunicaciones electrónicas consisten en los procesos de transmisión, recepción y procesamiento de señales de información usando circuitos electrónicos. Nuestro mundo está sumergido en señales. La naturaleza produce señales (por ejemplo, el sonido de una cascada de agua, los vientos, etc.), los seres vivos producen y procesan señales (un murciélago utiliza los mejores algoritmos de tratamiento de la señal hoy conocidos cuando persigue a las mariposas que constituyen su sustento), así mismo, los seres humanos emitimos e interpretamos señales desde que habitamos este mundo: desde el proceso de producción e interpretación de la voz y, en general, de muchos sonidos, hasta la captura y proceso de las señales luminosas con nuestro sentido de la vista y nuestro sistema nervioso. Esto ha llevado a que el hombre se dedique con mucho énfasis al estudio de las señales pues cuando se diseñan los circuitos para comunicaciones electrónicas, frecuentemente es necesario analizar y predecir el funcionamiento del circuito basándose en la distribución de potencia y la composición de frecuencia de la señal de información Esto se realiza con una herramienta matemática llamada análisis de señales. Cómo podemos definir una señal? Podemos decir que las señales son cantidades físicas detectables o variables por medio de las cuales se puede transmitir información. Generalmente, las señales dependen de una variable, casi siempre descrita en el tiempo, o de varias de éstas, que frecuentemente tienen carácter espacial, como es el caso de las imágenes. En base a esto, las señales son representadas como funciones matemáticas de una o más variables independientes. CLASIFICACIÓN DE LAS SEÑALES Señales Continuas: Uno de los dos tipos básicos de señales, para las cuales la variable independiente es continua, es decir son señales que están definidas para un intervalo continuo de valores de su variable independiente Por ejemplo: Una Señal de voz como una función del tiempo. Presión atmosférica como una función de la altura f(t) t 2 LABORATORIO DE TEORÍA DE COMUNICACIONES IEE255

Señales Discretas: El otro tipo básico de señales, para el cual la variable independiente (tiempo) es discreta, es decir que están definidas para un conjunto de valores discretos de su variable independiente. Ejemplos: Los valores semanales del índice bursátil. Los valores de ingresos promedios de la población según su nivel de instrucción. f(n) n Señales Analógicas. Al hablar con una persona cara a cara, se están emitiendo unas señales, si se dibujasen es fácil imaginar cual sería el resultado: unas curvas con unas características y unos valores en continua variación, sin que tengan una limitación, esa sería una señal analógica. Así, cuando la información que se propaga a través de un sistema de comunicación guarda semejanza proporcional a la fuente que la genera, estamos hablando de señales analógicas. El gráfico muestra una señal de voz en un determinado rango de tiempo. Señal Analógica LABORATORIO DE TEORÍA DE COMUNICACIONES IEE255 3

Señales Digitales. Como hemos dicho, la señal análoga puede tener una cantidad de estados o valores ilimitados, es decir, tiene un comportamiento continuo en el tiempo. En la señal digital este comportamiento es discreto, es decir, existe un número finito de valores en un determinado rango. El gráfico muestra la señal de voz anterior, pero digitalizada. Señal Digital Estos valores discretos se pueden representar, gracias a las matemáticas, en diferentes sistemas de numeración, como son los sistemas binarios, terciarios, decimales, hexadecimales, etc. El más sencillo de manejar electrónicamente es el sistema binario (que tiene como base de numeración el número dos), que me permite representar cualquier número como una secuencia de dos estados de ceros y unos. Al optar por este sistema de numeración, esta señal toma el nombre de señal digital binaria. Por ejemplo, si algún estado de nuestra señal digital toma el valor de 178, las señal digital binaria sería: 10110010 Amplitud V1 1 0 1 1 0 0 1 0 Vo t Señales Muestreadas: Bajo ciertas condiciones una señal continua en el tiempo puede ser completamente representada y recuperada a partir del conocimiento de sus valores instantáneos o muestras igualmente espaciadas en el tiempo. 4 LABORATORIO DE TEORÍA DE COMUNICACIONES IEE255

f(t) t f(n) n Señales Periódicas y Aperiódicas Una de las señales más sencillas que existen son las señales sinusoidales (seno o coseno), en el caso que representen a variaciones eléctricas de voltaje (o corriente) con respecto al tiempo será una señal eléctrica que podemos representarla idealmente de la siguiente manera: v( t) = V sen( 2πft + θ) o v( t) = V cos(2πft + θ ) En donde: v(t) = onda de voltaje que varía senoidalmente con el tiempo. V = voltaje pico (voltios). f = frecuencia (Hertz). θ = fase (radianes) 2πf = ω velocidad angular (radianes por segundo) Las expresiones anteriores son para una forma de onda repetitiva de frecuencia sencilla. A este tipo de onda podemos definirla como periódica porque se repite en un rango uniforme de tiempo (es decir, cada ciclo sucesivo de la señal tiene LABORATORIO DE TEORÍA DE COMUNICACIONES IEE255 5

exactamente la misma duración de tiempo y exactamente las mismas variaciones de amplitud que cualquier otro ciclo, cada ciclo tiene exactamente la misma forma). Matemáticamente se debe cumplir lo siguiente: Con n = 1, 2, 3,... donde T es una constante conocida como período fundamental. Cuando las señales no cumplen las condiciones anteriores se dice que la señal es no periódica o aperiódica. Una serie de ondas seno, coseno, cuadradas o triangulares son ejemplos de ondas periódicas. Señales Aleatorias y Determinísticas. f ( t) = f ( t + nt ) Una señal aleatoria es aquella sobre la que se tiene algún grado de incertidumbre antes de que ocurra realmente o donde los valores futuros de la señal quizá no sean predecibles aún después de la observación de valores pasados. Un ejemplo de señal aleatoria es la salida de un receptor de radio cuando, al sintonizarlo, responde a ruido proveniente de alteraciones atmosféricas y de circuitos electrónicos internos. 2 1 0-1 -2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Una señal no aleatoria o determinística es aquella sobre cuyos valores no existe incertidumbre. Casi siempre puede escribirse una expresión matemática explícita para tales señales. 2 1 0-1 -2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 6 LABORATORIO DE TEORÍA DE COMUNICACIONES IEE255

En el presente laboratorio trabajaremos con señales no aleatorias (por ejemplo la señal de información que deseamos transmitir) y con señales aleatorias (como por ejemplo las perturbaciones existentes en el canal de transmisión). DOMINIO DE TIEMPO Y FRECUENCIA. Las señales de nuestro interés están en función del tiempo, y para su análisis existen dos maneras de describirlas: la primera de ellas es en el dominio del tiempo y la segunda en el dominio de la frecuencia. Ambos dominios son importantes pues se puede obtener información relevante para la descripción de la señal. Por ejemplo, el análisis en el dominio del tiempo es importante para señales de electrocardiografía (ECG), donde las formas de onda, tiempos de subida y bajada, periodicidad de la señal, etc. determinan la posible presencia de patologías (enfermedades), también en señales de electroencefalografía (EEG) pues distintas patologías tienen asociadas formas de onda características. A diferencia de las señales de voz, debido a que su análisis en el dominio del tiempo da poca información acerca de ella, con lo que solamente podríamos medir la calidad de sonido entre otras cosas, pero por ejemplo, no tenemos mucha información acerca de las características de las frecuencias que están involucradas en la señal por su complejidad. Esta información la vamos a obtener analizando la señal en el dominio de la frecuencia. Dominio del Tiempo: Lo que observaremos en este dominio será una representación de la amplitud contra el tiempo de la señal que estamos analizando, a esta representación se suele llamar forma de onda de la señal. En esencia, la forma de onda de una señal muestra la forma y magnitud instantánea de la señal, con respecto al tiempo, pero no necesariamente indica su contenido en frecuencia, esto depende de la complejidad de la señal (si la señal es sencilla, entonces su contenido en frecuencia se puede obtener por métodos indirectos, caso contrario se hace necesario el análisis en frecuencia). Un osciloscopio estándar es un instrumento electrónico de dominio del tiempo, pues la pantalla en el tubo de rayos catódicos (CRT) despliega una representación de una amplitud contra el tiempo de la señal de entrada. 2 1 0-1 -2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 LABORATORIO DE TEORÍA DE COMUNICACIONES IEE255 7

Dominio de la Frecuencia: Cuando deseemos averiguar el contenido espectral que tiene una señal, es necesario trabajar en el dominio de la frecuencia, pues tendremos una representación de la amplitud versus la frecuencia, a lo que llamaremos espectro de frecuencias. Además obtendremos información acerca del ancho de banda de la señal a la que definiremos como el rango de frecuencias que ocupa la señal de información, que en adelante se llamará banda base. Para realizar este análisis nos ayudamos de un analizador de espectros que es un instrumento electrónico de dominio de la frecuencia, y permite observar cada frecuencia presente en la forma de onda de la señal de entrada versus su respectiva amplitud (componentes espectrales). Amplitud ω 5ω o 3ω o ωo ωo 3ω o 5ω o Ancho de banda de la señal (Banda Base) 8 LABORATORIO DE TEORÍA DE COMUNICACIONES IEE255

SISTEMAS DE COMUNICACIONES Un sistema de comunicación es aquel que logra transmitir información de un punto llamado fuente a otro denominado destino. El siguiente diagrama explica las etapas para poder realizar dicha transmisión. Mensaje de Entrada f(t) FUENTE Transmisor Señal de entrada Transductor Canal Tx Receptor Señal de salida Transductor Mensaje de Salida ~ f ( t ) DESTINO Sistema Tx Ruido, Distorsión, Atenuación, Interferencia Sistema Rx Diagrama en bloques de un sistema de comunicaciones. Podemos distinguir los siguientes elementos en un sistema de comunicaciones: Transductor de Entrada Transmisor Medio de Transmisión Receptor Transductor de Salida. Transductor de entrada: El mensaje puede ser producido por máquinas o por el hombre y normalmente no es de naturaleza eléctrica. Como ejemplos tenemos: una escena a ser transmitida por T.V., sonidos, música, datos, parámetros físicos de un proceso tales como temperatura, presión, humedad, señales biológicas, etc. El transductor es el encargado de convertir cualquiera de estos mensajes en una señal eléctrica equivalente (voltaje o corriente). Como ejemplos de transductores de entrada se pueden mencionar: cámara de T.V., micrófono, electrodos, transductores de presión, humedad, temperatura, posición, etc. Transmisor: Adapta el mensaje ya convertido en señal eléctrica al medio de transmisión. Esta adaptación por lo general implica un proceso de modulación el cual consiste en alterar algún elemento de una señal fija, llamada portadora, de manera proporcional LABORATORIO DE TEORÍA DE COMUNICACIONES IEE255 9

a las variaciones del mensaje. La clasificación más general de los métodos de modulación depende del tipo de portadora utilizada. Así se tiene: a. Modulación de onda continua: si la portadora es una sinusoide. b. Modulación discreta en tiempo o de pulsos: si la portadora es un tren periódico de pulsos. El objetivo fundamental de la modulación es acoplar el mensaje al medio de transmisión ya que: 1. Si el medio de transmisión es el aire se necesitan antenas de transmisión y recepción que deben tener al menos un tamaño de l/4 (λ:longitud de onda, f: frecuencia de la onda y c = λf; donde c es velocidad de la luz = 3x10 8 m/s ) para que la radiación sea eficiente. Se observa que λ es inversamente proporcional a la frecuencia, por lo tanto si la señal a transmitir es de baja frecuencia (como en general lo son las señales producidas por el hombre) se necesitarían antenas de grandes dimensiones. Por ejemplo, para transmitir un tono de voz de 4 KHz, la cual generaría un λ = 75 Km. Se necesitaría una antena de longitud λ/4 = 18.75 Km, resultado que hace poco practico y realizable la transmisión en banda base. Más adelante se verá que la modulación permite trasladar en frecuencia los mensajes a transmitir a frecuencias mayores. Por lo tanto hace posible utilizar radiadores de menores dimensiones. 2. La traslación de frecuencias permite hacer multiplexaje de diferentes señales, es decir, se pueden enviar varias señales de información por el mismo medio de transmisión. Esto permite asignar canales de transmisión como es el caso de radiodifusión y TV. Cada estación transmite a diferente frecuencia, pero a través del mismo medio. Es decir: Estación 1 señal modulada Estación 2 Modulación a f 1 señal modulada 3 diferentes señales transmitidas en el mismo medio Modulación a f 2 Estación 3 señal modulada f 1 f 2 f 3 f Modulación a f 3 10 LABORATORIO DE TEORÍA DE COMUNICACIONES IEE255

3. Algunos métodos de modulación fortalecen la transmisión frente al ruido. Un ejemplo de esto es modulación en frecuencia ó F.M. Aparte de modular, el transmisor puede efectuar otras modificaciones. Por ejemplo se puede utilizar una clave que proteja la privacidad de la comunicación. También se puede comprimir o expandir el mensaje previo a la transmisión. Medio de transmisión Es el lazo entre el transmisor y el receptor. A grandes rasgos, los medios se agrupan en medios guiados y medios no guiados. En ambos casos las comunicaciones toman la forma de ondas electromagnéticas. En un medio guiado las ondas son guiadas a lo largo de una trayectoria física, tal como lo hace por los pares trenzados, el cable coaxial y la fibra óptica. Los medios no guiados proporcionan un medio para transmitir las ondas electromagnéticas pero no las guían, y estas se propagan a través del aire, el vacío o las aguas del mar. Como medios no guiados tenemos a las microondas terrestres, las comunicaciones satelitales, radio, comunicaciones celulares, infrarrojo, láser, etc. Como uno de los medios de transmisión más utilizados es el aire, donde se transmite a través de ondas electromagnéticas, es importante organizar y asignar bandas de transmisión para los diversos usos que estén estandarizadas para poder comunicarse con cualquier parte del mundo. Como se observa en el Diagrama de bloques de un sistema de comunicaciones es en el medio de transmisión donde la señal sufre alteraciones indeseadas como son: a) Atenuación: Reduce el valor de la señal y puede hacerla tan pequeña como el ruido, haciendo imposible su detección. Se debe a la pérdida de energía conforme la señal se propaga hacia su destino. En los medios guiados por ejemplo, la señal decae en forma logarítmica con la distancia b) Distorsión: El medio de transmisión altera las características de la señal debido a que las componentes de Fourier de ésta, viajan a distintas velocidades, dando como resultado a la salida del medio de transmición, una señal no esperada o imperfecta. c) Interferencia: Es la contaminación debida a señales externas de la misma naturaleza que el mensaje que queremos transmitir. Por ejemplo, cuando dos estaciones que transmiten con portadoras adyacentes y no poseen una buena separación entre ellas, se produce interferencia. d) Ruido: Es la energía no deseada proveniente de fuentes distintas del transmisor. El movimiento al azar de los electrones en un cable (debido a que el electrón se encuentra a una temperatura diferente al cero absoluto) causa ruido térmico, y esto es inevitable. El acoplamiento inductivo entre dos cables que están cerca uno de otro causa diafonía (este hecho se observa cuando al hablar por teléfono, se puede oír otra conversación en el fondo). Existen otras fuentes de ruido como LABORATORIO DE TEORÍA DE COMUNICACIONES IEE255 11

el sol, las estrellas, las descargas atmosféricas, el ruido "fabricado" por el hombre en sus industrias, etc. Receptor: Tiene como función rescatar la señal del medio de transmisión y realizar las operaciones inversas del transmisor con la finalidad de obtener el mensaje. Por lo dicho anteriormente para el modulador, la principal labor del receptor es la demodulación. Esto implica que debe existir un acuerdo absoluto entre transmisor y receptor en cuanto al tipo de funciones que cada uno debe realizar de forma de que operación sea equivalente a no haber alterado el mensaje original. Transductor de salida: Normalmente el destino de las transmisiones es el hombre o una máquina, por lo tanto es necesario convertir la señal eléctrica en un mensaje adecuado para ellos. Como ejemplos: parlante, pantalla o display gráfico, graficador, la memoria de un computador, etc. 12 LABORATORIO DE TEORÍA DE COMUNICACIONES IEE255

MODULACIÓN En general, la modulación es el proceso por el cual una propiedad o parámetro de una señal se hace variar en forma proporcional a una segunda señal. Típicamente la modulación implica trasladar una señal de bajas frecuencias a un rango de frecuencias altas, ya que de esta forma se facilita su transmisión. En todo proceso de modulación se encuentra presente las siguientes señales: a) Señal Modulante. Denominada también Señal Moduladora o de Banda Base. Es la señal de información o mensaje que requiere ser desplazada a altas frecuencias para que pueda ser transmitida eficientemente por radiofrecuencia. En el laboratorio la señal modulante se obtiene de un generador de señales. b) Señal Portadora. Señal senoidal de alta frecuencia, de la siguiente forma: c(t) = A * Sen( wc * t + φ ). Usando esta señal se logra desplazar a frecuencias superiores la señal modulante por medio de la variación de la amplitud ( A ), frecuencia ( wc ) o fase ( φ ) de la señal portadora de acuerdo con las características de la señal moduladora. * En una experiencia posterior se verá el muestreo de una señal de información, y se verá que un tren de pulsos periódicos también puede ser una señal portadora. Así se basan los sistemas de comunicación digital: Variando la amplitud (A), la duración de pulso (t) o el periodo (T) del tren de pulsos de acuerdo con la señal de información se obtiene un proceso que se conoce como Modulación de pulsos. c) Señal Modulada. Señal de alta frecuencia que es el producto o resultado del proceso de modulación. Entre las señales moduladas más comunes tenemos: AM, FM, FSK, PAM, PCM, etc. Típicamente esta señal es la que se transmite. d) Señal Demodulada. La demodulación es el proceso mediante el cual se recupera la señal original de banda base o mensaje, a partir de la señal modulada. La señal demodulada es la señal resultante del proceso de demodulación. LABORATORIO DE TEORÍA DE COMUNICACIONES IEE255 13

El tipo de modulación más sencillo y más fácil de entender es la Modulación en Amplitud (AM). Se utilizará la variante AM DSB-LC, que es la utilizada en AM Comercial, para explicar el proceso de la modulación y las señales involucradas. De manera práctica analizaremos la modulación de amplitud (AM) siendo esta el proceso por el cual se varía la amplitud de una señal portadora senoidal de alta frecuencia de acuerdo con la forma de onda de la señal modulante. Para entender mejor cómo se efectúa la modulación observaremos el caso particular de la AM comercial: AM Comercial La principal aplicación que tiene la modulación de amplitud es la radiodifusión comercial, en la cual se puede transmitir señales de audio con una calidad aceptable y un alcance regional. La AM comercial transmite ondas electromagnéticas con frecuencias del orden de los cientos de khz o kilociclos ya que es el rango de frecuencias en el cual se obtiene el mejor desempeño posible. En el Perú al AM comercial se encuentra entre los 540 a 1600 Khz. A continuación se describe el proceso de modulación AM y el rol de cada una de las señales que intervienen: Imaginemos una señal de audio, producida en una radioemisora. Esta será nuestra señal modulante o mensaje. Como sabemos, en todo proceso de modulación estará presente una señal de alta frecuencia conocida como portadora. La modulación AM hará que la portadora varíe su amplitud de acuerdo a la forma de onda de la señal modulante, y el resultado será la señal modulada AM. Esta es la señal que es transmitida por una emisora, y luego captada en un receptor AM. Espectro de Frecuencias de AM Habíamos señalado que la AM comercial transmite en los cientos de khz, es decir que en esta porción del espectro electromagnético encontraremos distintas señales AM una a continuación de otra, con una separación preestablecida necesaria para que no exista interferencias. Observemos el comportamiento en el dominio de la frecuencia de las tres señales que intervienen en la modulación AM: La señal modulante en AM es de bajas frecuencias y es limitada a un determinado ancho de banda mediante el uso de un filtro. La portadora es un tono senoidal de alta frecuencia. La señal modulada AM viene dada por el espectro de la señal modulante trasladada a la frecuencia de la portadora. 14 LABORATORIO DE TEORÍA DE COMUNICACIONES IEE255

En el siguiente esquema se puede observar lo descrito anteriormente: En la experiencia del laboratorio, tanto nuestra señal modulante como nuestra portadora serán señales senoidales, las cuales serán obtenidas de un generador de señales. Se obtendrán, de esta forma, las siguientes formas de onda: Señal Portadora 1 0-1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Señal Portadora o Mensaje(Banda Base) 1 0-1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Onda Modulada en Amplitud LABORATORIO DE TEORÍA DE COMUNICACIONES IEE255 15

1 0-1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 16 LABORATORIO DE TEORÍA DE COMUNICACIONES IEE255

TÉCNICAS AM Sin embargo, no hay una única forma de realizar modulación en amplitud, sino que existen varias técnicas, siendo las principales las que se describen a continuación: AM Con portadora Sin portadora Doble banda AM-DSB-LC Se transmite onda modulada más portadora no modulada. La portadora genera un nivel DC que permite recuperar la información mediante un detector de envolvente. Es la técnica utilizada en la radiodifusión AM comercial. AM-DSB-SC Se deja de transmitir la portadora para obtener mayor eficiencia en el consumo de potencia del transmisor. No es posible realizar detección de envolvente. Banda única AM-SSB-RC Se transmite una sola banda lateral y la portadora. Como la portadora se atenúa al filtrar una banda, esta técnica se conoce como modulación de una sola banda con portadora residual. AM-SSB-SC Se transmite una sola banda lateral y sin portadora. También es conocida como modulación de banda lateral única AM-BLU. LABORATORIO DE TEORÍA DE COMUNICACIONES IEE255 17

DEMODULACIÓN O DETECCIÓN DE AM Proceso usado para recuperar la señal de información, a partir de cualquier tipo de señal AM modulada. Hay 2 tipos de detección: Demodulación síncrona o coherente requiere en el receptor una portadora de frecuencia y fase totalmente sincronizada con la portadora del transmisor. Este tipo de detección es complejo y costoso por lo que sólo se usa en la demodulación de señales AM sin portadora presente. Demodulación por detección de envolvente o no coherente no requiere en el receptor de una portadora sincronizada. Basta un dispositivo simple que detecte la envolvente de la señal modulada AM. Sólo se usa en señales AM con portadora presente. 18 LABORATORIO DE TEORÍA DE COMUNICACIONES IEE255

RUIDO El ruido consiste en cualquier señal no deseada que interfiere con la reproducción fiel de una señal deseada en un sistema. En la mayoría de casos el ruido está presente en los medios o canales de transmisión. El ruido presenta las siguientes características: Es aleatorio, lo que significa que sólo es posible conocer su comportamiento de manera estadística. Afecta directamente las señales que están siendo transmitidas, de tal forma que pueden provocar que el mensaje original no pueda ser recuperado. Representa los distintos comportamientos que puede tener un medio de transmisión. En el laboratorio se trabajará con tres tipos de señales de ruido: Ruido Blanco Señal que presenta un mismo efecto perturbador de magnitud constante para todas las frecuencias. En la vida real lo encontramos como ruido térmico, el cual se encuentra presente en todo componente electrónico. La causa del ruido térmico es la agitación dependiente de la temperatura de los electrones dentro de la estructura de los conductores, por ejemplo una resistencia. Su efecto es normalmente inofensivo y controlable. LABORATORIO DE TEORÍA DE COMUNICACIONES IEE255 19

Ruido Rosado Señal que no es obtenida naturalmente sino teóricamente, en laboratorio. Es la señal que resulta de filtrar al Ruido Blanco con un filtro pasabajo de 3dB por octava. De esta forma, presenta un espectro plano en un eje de frecuencias logarítmico. Es utilizado en aplicaciones de acústica y audio, como prueba de parlantes. Ruido de Disparo (Flicker Noise) Es el más nocivo de los tres tipos de ruido. Ello se debe a su comportamiento impulsivo, es decir, de cambios muy bruscos pero de corta duración. Se origina típicamente como consecuencia de tormentas eléctricas (ruido atmosférico), máquinas eléctricas de inducción y algunos aparatos electrodomésticos. 20 LABORATORIO DE TEORÍA DE COMUNICACIONES IEE255

III MATERIAL REQUERIDO: 1 736 20 CF TRANSMITER 20 KHZ (MODULADOR AM) 1 736 21 CF TRANSMITER 16 KHZ (MODULADOR AM) 1 736 29 SSB / DSB RECEPTOR (DEMODULADOR AM) 1 736 31 NOISE-SOURCES (GENERADOR DE RUIDO) 1 736 32 TRANSMISSION LINE (SUMADOR) 1 Generador de señales 1 Fuente de alimentación +/- 15V, 3A. 1 Osciloscopio digital 1 Multímetro digital Conectores IV DESCRIPCIÓN DE MÓDULOS MODULADOR AM (736 20 ó 736 21) El panel contiene en la entrada un filtro FPB de 0,3 a 3,4 Khz. La señal proveniente del generador de 160 Khz (señal piloto) pasa por el divisor de frecuencia y luego por el convertidor de señales (cuadrada a senoidal) para generar una portadora senoidal de 20 ó 16 Khz, que se mezcla en el modulador con la señal de entrada, para obtener un tipo de señal AM. DEMODULADOR AM (736 29) El panel contiene un demodulador, un filtro FPB de 0.3 a 3.4 Khz, además del generador (oscilador de cristal) de 20Khz, que posibilita la detección síncrona. LABORATORIO DE TEORÍA DE COMUNICACIONES IEE255 21

SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓDULOS AM +15 V +5 V +15 V +5 V AM LC AM SC Señal Filtro Pasa Banda 0.3-3.4 khz Modulador AM Filtro Pasa Banda 20.3-23.4 Khz 16.3-19.4 Khz Demodulador AM Filtro Pasa Banda 0.3-3.4 Khz Out Cristal Oscilador 160 Khz f f/n + + Cristal Oscilador 20 Khz 0 V 0 V -15 V -15 V Modulador AM 736 20 / 736 21 Demodulador AM 736 29 FIGURA 1 22 LABORATORIO DE TEORÍA DE COMUNICACIONES IEE255

CONEXIÓN AM +15 V +5 V +15 V +5 V AM LC AM SC REPOSICIÓN +15VDC REPOSICIÓN +5V DC Señal Filtro Pasa Banda 0.3-3.4 khz Modulador AM 1 Filtro Pasa Banda 20.3-23.4 Khz 16.3-19.4 Khz Demodulador AM Filtro Pasa Banda 0.3-3.4 Khz Out 2 3 4 5 REPOSICIÓN -15VDC Cristal Oscilador 160 Khz f f/ N + + Cristal Oscilador 20 Khz 0 V -15 V Modulador AM 0 V -15 V 736 20 / 736 21 Demodulador AM 736 29 Generador Textronic CFG 253/ Agilent 33120A FIGURA 2 Osciloscopio Agilent 54622A LABORATORIO DE TEORÍA DE COMUNICACIONES IEE255 23

SISTEMAS DE COMUNICACIONES CONEXIÓN AM CON RUIDO +15 V +15 V +15 V +15 V +5 V +5 V +5 V +5 V AM LC AM SC REPOSICIÓN +15VDC REPOSICIÓN +5VDC G White Noise Señal Filtro Pasa Banda 0.3-3.4 khz Modulador AM 1 1 Filtro Pasa Banda 20.3-23.4 Khz 16.3-19.4 Khz Demodulador AM Filtro Pasa Banda 0.3-3.4 Khz Out G Pink Noise 2 3 6 7 REPOSICIÓN -15VDC G Flicker Noise Cristal Oscilador 160 Khz f f/n + + 5 1/f 4 Cristal Oscilador 20 Khz 0 V 0 V 0 V 0 V -15 V -15 V -15 V -15 V Generador de ruido 736 31 Modulador AM 736 20 / 736 21 Línea de Transmisión 736 32 Demodulador AM 736 29 Generador Textronic CFG 253/ Agilent 33120A Osciloscopio Agilent 54622A FIGURA 3 24 LABORATORIO DE TEORÍA DE COMUNICACIONES IEE255

HOJA DE LABORATORIO MODULACIÓN AM APELLIDOS Y NOMBRE: CÓDIGOS: SEÑALES 1. Identifique las principales características de la señal presentada por el Jefe de Práctica. Señal 1 Amplitud = Frecuencia = Periodo = Fase = Tipo: Señal 2 LABORATORIO DE TEORÍA DE COMUNICACIONES IEE255 25

SISTEMAS DE COMUNICACIONES Amplitud = Frecuencia = Periodo = Fase = Tipo: Señal 3 Amplitud = Frecuencia = Periodo = Fase = Tipo: Señal 4 Amplitud = Frecuencia = Periodo = Fase = Tipo: 26 LABORATORIO DE TEORÍA DE COMUNICACIONES IEE255

2. Tome la primera de las tres señales. Analice la señal con ayuda del analizador de espectros. Comente el resultado obtenido Corresponde este resultado con el mostrado en el generador de señales. 3. Varíe la frecuencia de esta señal, y observe lo que sucede en el analizador de espectros. Comente sus resultados. 4. Con la ayuda de los generadores de señales, obtenga dos señales senoidales: Señal 1: Señal 2: Amplitud = 2 V Frecuencia = 1.3 KHz. Desfase =? Amplitud = 2 V Frecuencia = 1.3 khz Desfase =? + 180 LABORATORIO DE TEORÍA DE COMUNICACIONES IEE255 27

SISTEMAS DE COMUNICACIONES Sume ambas señales. (inserte gráficas) Comente sus resultados. Qué es lo que ha sucedido con las ondas generadas? Debido a qué sucede eso? 5. Con la ayuda de los generadores de señales, obtenga dos señales senoidales: Señal 1: Amplitud = 4 V Frecuencia = f1 Desfase =? Señal 2: Amplitud = 2 V Frecuencia = f2 Desfase =? Sume ambas señales. 28 LABORATORIO DE TEORÍA DE COMUNICACIONES IEE255

Comente sus resultados. 6. Con la ayuda de los generadores de señales, obtenga dos señales senoidales: Señal 1: Señal 2: Amplitud = 4 V Frecuencia = f3 Desfase =? Amplitud = 2 V Frecuencia = f4 Desfase =? Sume ambas señales. LABORATORIO DE TEORÍA DE COMUNICACIONES IEE255 29

SISTEMAS DE COMUNICACIONES Comente sus resultados. Qué relación debe existir entre la frecuencia de la señal 1 y la frecuencia de la señal 2 para conservar la periodicidad de la señal resultante? 30 LABORATORIO DE TEORÍA DE COMUNICACIONES IEE255

MODULACIÓN 1. Implemente el circuito mostrado en la figura 2 alimentando correctamente los paneles 73620 ó 73621 (Modulador AM) y 73629 (Demodulador AM). Antes de energizar consulte al Jefe de Práctica. 2. Luego obtenga del generador de señales una señal senoidal de 2 Vpp y 2KHz. Conecte la señal a la entrada del modulador AM. Ahora observe que la señal a la salida del demodulador sea la esperada, si no es así consulte al Jefe de Práctica. 3. Una vez verificado el correcto funcionamiento del sistema (paso anterior), Grafique las siguientes señales: Portadora Señal modulante Cómo se obtiene la portadora a partir del oscilador de 160 KHz? Cómo afecta el filtro pasa banda a la señal AM del punto 1? LABORATORIO DE TEORÍA DE COMUNICACIONES IEE255 31

SISTEMAS DE COMUNICACIONES Modulación AM-DSB-LC 4. Con el switch en LC observe la señal modulada AM-DSB-LC a la salida del multiplicador en el punto 1. Señal AM-DSB-LC 5. Con la señal sinusoidal original de 2Vpp y 2KHz. Bosqueje la señal demodulada. Ahora retire el cable que conecta el punto 4 con la portadora local del transmisor y conecte los puntos 4 y 5 (portadora del demodulador AM). Señal Demodulada AM-DSB-LC Detección con portadora local modulador AM Detección con portadora local demodulador AM 32 LABORATORIO DE TEORÍA DE COMUNICACIONES IEE255

Qué diferencias observa entre la señal demodulada con la portadora del TX y la demodulada con la portadora del RX?. Sustente su respuesta teóricamente. 6. Observe las señales anteriores en el dominio de la frecuencia usando el analizador del osciloscopio digital. Determine el ancho de banda para dicha modulación. SWITCH EN LC AM-DSB-LC BW = Observaciones: LABORATORIO DE TEORÍA DE COMUNICACIONES IEE255 33

SISTEMAS DE COMUNICACIONES 7. Con la ayuda del generador de ruido y el sumador de la línea de transmisión, Implemente el circuito mostrado en la figura 3. Efectúe el análisis del efecto aditivo de ruido en cada señal AM para cada tipo de ruido (blanco, rosado o flicker). Anote sus observaciones y registre los efectos de ruido para una señal AM en la frecuencia y para la salida AM demodulada correspondiente en el tiempo. Ruido Blanco en el tiempo y en la frecuencia Ruido Rosado en el tiempo y en la frecuencia Ruido Flicker en el tiempo y en la frecuencia Efecto aditivo del ruido blanco en el tiempo y en la frecuencia Observaciones: 34 LABORATORIO DE TEORÍA DE COMUNICACIONES IEE255

Efecto aditivo del ruido rosado en el tiempo y en la frecuencia Observaciones: Efecto aditivo del ruido flicker en el tiempo y en la frecuencia Observaciones: LABORATORIO DE TEORÍA DE COMUNICACIONES IEE255 35

SISTEMAS DE COMUNICACIONES ANÁLISIS DE MATLAB Como complemento al trabajo con los módulos, se va observar una simulación en Matlab de lo realizado durante la experiencia. A continuación se muestra los bloques que se van a utilizar en la simulación: Señales y ruido: (Sources) Sine Wave Signal Generator Band-Limited White Noise Dispositivos de salida (Blocksets&Toolboxes / Simulink Extras / Additional Sinks) (Sinks) Scope XY Graph Averaging Power Spectral Density Filtros (Blocksets&Toolboxes / DSP Blocksets / Filters / Filters Designs) fir1 butter Operadores (Linear) Digital FIR Filter Design 1 Digital IIR Filter Design Gain Sum Producto Analizar el archivo en simulink de Matlab que se les va entregar en el laboratorio y efectuar lo siguiente: 1. Identifique el tipo de AM, la señal mensaje y la portadora. 2. Observe cómo influye el ruido blanco de 0.1 mw presente en el canal en la detección de AM. 3. Observe el rol del filtro pasa bajo en el receptor: Digital FIR Filter Desing de orden 50 y Lower band 0.01. 36 LABORATORIO DE TEORÍA DE COMUNICACIONES IEE255

4. Cambie otros parámetros del sistema y determine cómo influyen en la detección de la señal AM. INFORME FINAL 1. Para el tren de ondas cuadradas mostrada en la siguiente figura: +2V 0.8ms -2V Tiempo 0.8ms a. Determine las amplitudes picos y las frecuencias de las primeras 5 armónicas. b. Dibuje el espectro de frecuencia (solo con esas 5 armónicas) c. Calcule el voltaje instantáneo total para varios tiempos y trace la forma de onda en el dominio del tiempo. 2. Explique las ventajas o desventajas de AM con respecto al ruido 3. Investigue sobre otras aplicaciones de AM en radiodifusión, satélites, móviles, etc. Sea conciso y claro. 4. Investigue cómo se aplica AM en comunicaciones por radio microondas. 5. Conclusiones y observaciones. LABORATORIO DE TEORÍA DE COMUNICACIONES IEE255 37