Fundamentos de Telecomunicaciones

Fundamentos de Telecomunicaciones Reglamento Para regularizar la asignatura Es necesario reunir los siguientes requisitos: a) Estar inscripto en la materia conforme a las disposiciones del reglamento de la carrera. b) Asistir al 80 % de los trabajos prácticos de la asignatura. c) Aprobar el 70 % de los trabajos prácticos, y tener presentados el 100% de los mismos. d) Aprobar tres evaluaciones. 1

Reglamento Para aprobar la asignatura Es necesario regularizar la misma y aprobar un examen integrador. Nota: Aquellos alumnos que logren un promedio de 70/100 en las evaluaciones parciales y ningún parcial desaprobado, no rinden la evaluación integradora.. Reglamento Trabajos Prácticos Los informes de trabajos prácticos deben ser presentados como último plazo al iniciar el siguiente trabajo, o en la fecha asignada por el Jefe de Trabajos Prácticos. Los trabajos de problemas deben ser resueltos y presentados en forma individual. Antes del examen integrador se debe presentar la carpeta completa con todos los informes aprobados. 2

Programa 1.- Introducción: Sistema de comunicaciones. Sus elementos. Conceptos de portadora, modulación y ancho de banda. Metodología para compartir los medios de comunicación. Espectro electromagnético. Distribución y administración del espectro. Ganancia, atenuación, definiciones y uso de los decibeles. Conceptos básicos de ruido. Orígenes de los ruidos. Definiciones de relación señal ruido y cifra de ruido. 2.- Componentes de los sistemas de comunicaciones: Amplificadores. Filtros. Moduladores. Osciladores. Detectores. Conversores. Sintetizadores de frecuencia. Antenas. 3.- Realimentación: Realimentación. Su influencia en circuitos amplificadores. Estabilidad. Criterio de Nyquist. Margen de ganancia, margen de fase. Osciladores. Configuraciones. Programa 4.- Modulación en amplitud: Conceptos y definiciones de modulación en general. Modulación de amplitud. Generación de señales moduladas en amplitud. Modulación en doble banda lateral y banda lateral única. Aplicaciones de los distintos tipos de modulación en AM. 5.- Modulación en ángulo: Modulación de frecuencia, modulación de fase. Comparación entre FM y PM, Espectros de señales moduladas en ángulo. Generación de señales moduladas en ángulo. 6.- Conversión de frecuencia: Especificaciones principales. Multiplicadores de frecuencia. Lazos enclavados en fase (PLL), operación simplificada. Componentes de un PLL. Aplicaciones. Síntesis de frecuencia. 3

Programa 7.- Transmisores:Requisitos de los transmisores. Configuraciones de transmisores de AM y BLU. Configuraciones de transmisores de FM. Mediciones. 8.- Receptores de comunicación: Configuraciones de receptores. Receptor superheterodino. Componentes del mismo. Funciones, especificaciones. Receptores de AM. Receptores de FM. 9.-Técnicas digitales en comunicaciones: Modulaciones por pulsos. Modulación por codificación de pulsos (PCM). Multiplexado en tiempo y frecuencia (TDM) y (FDM). Modulaciones digitales y módems: Modulación por desplazamiento de amplitud, frecuencia y fase. Sistemas de espectro expandido. 10.-Líneas de transmisión:concepto de impedancia característica. Velocidad de propagación. Factor de velocidad. Antenas. Bibliografía "Electrónica Teoría de Circuitos", sexta edición, Prentice Hall, Inc. Boylestad, R.-Nashelsky, l. "Sistemas Electrónicos de Comunicaciones", segunda edición,thomson. Blake, Roy "Sistemas Electrónicos de Comunicaciones", Alfaomega. Frenzel, Louis "Sistemas de Comunicaciones Electrónicas", cuarta edición, Pearson Education. Tomasi, Waine "Electronic Communications", third edition, Prentice Hall, Inc. Roddy, Dennis- Coolen, John "Solid State Radio Engineering", John Willey & Sons. Kraus- Bostian-Raab Microelectrónica, sexta edición, Hispano Europea. Millman- Grabel Notas de aplicación, varias Apuntes de clase. 4

Esquema de un sistema de comunicaciones Transmisor Medio Receptor La señal de información puede ser analógica o digital Ejemplos de comunicaciones Analógicas: Teléfono Enlace de voz por radio Conversación. Video, etc. 5

Ejemplos de comunicaciones Digitales: Proceden de datos generados en equipos o computadoras. Se generan partir de señales de audio, video y otras que son digitalizadas con conversores AD. Esquema de un sistema de comunicaciones Canal de Comunicación Generador Portadora Mod T R Demod Reproductor Información Señal de Información 6

Diagrama básico de modulador + v c (t) - Portadora F(t) Modulador Señal modulada + - v m (t) Señal moduladora Señal Modulada F( t) = A( t)cos[ ω ct + θ ( t)] = A( t)cosφ( t) Modulando: A(t) Modulación en amplitud φ(t) Modulación en ángulo FM PM 7

Señal Modulada en Amplitud v m (t) t (a) v AM (t) t (b) Diagrama básico de modulador Componentes Armónicos de una Señal Cuadrada 8

Diagrama Componentes básico Armónicos de modulador de una Señal Triangular Multiplexado FDM (Frequency Division Multiplexing) 0,3 a 3,4 KHz M1 F1 12,3 a 15,4 KHz F4 12,3 a 15,4 KHz D1 F7 0,3 a 3,4 KHz O1 12 KHz O4 12 KHz 0,3 a 3,4 KHz M2 F2 16,3 a 19,4 KHz 12,3 a 23,4 KHz F5 16,3 a 19,4 KHz D2 F8 0,3 a 3,4 KHz O2 16 KHz O5 16 KHz 0,3 a 3,4 KHz M3 F3 20,3 a 23,4 KHz F6 20,3 a 23,4 KHz D3 F9 0,3 a 3,4 KHz O3 20 KHz MULTIPLEXOR O6 20 KHz DESMULTIPLEXOR 9

Multiplexado TDM (Time Division Multiplexing) Canales de Entrada 1 Canales de Salida 1 2 Medio de Comunicación 2 3 3 4 4 Sincronismo Sincronismo MULTIPLEXOR DESMULTIPLEXOR Espectro Electromagnético Tipo de Onda Longitud de onda (m) Frecuencia (Hz) Rayos Gamma < 10 pm >30.0 EHz Rayos X < 10 nm >30.0 PHz Ultravioleta Extremo < 200 nm >1.5 PHz Ultravioleta Cercano < 380 nm >789 THz Luz Visible < 780 nm >384 THz Infrarrojo Cercano < 2.5 µm >120 THz Infrarrojo Medio < 50 µm >6.00 THz Infrarrojo Lejano/submilimétrico < 1 mm >300 GHz Microondas < 30 cm >1.0 GHz Ultra Alta Frecuencia Radio <1 m >300 MHz Muy Alta Frecuencia Radio <10 m >30 MHz Onda Corta Radio <180 m >1.7 MHz Onda Media (AM) Radio <650 m >650 KHz >10 km <30 KHz 1 GHz= 1 Giga Hertz= 10 9 Hz 1 THz= 1 Tera Hertz= 10 12 Hz 1 PHz= 1 Peta Hertz= 10 15 Hz 1 EHz= 1 Exa Hertz= 10 18 Hz 10

Espectro Electromagnético Diagrama Espectro básico Radio de Eléctrico modulador VLF (Very Low Frequencies Frecuencias muy bajas) Frecuencias comprendidas entre 3 khz y 20 khz LF (Low Frequencies Frecuencias Bajas) OL (Onda Larga) 153 a 159 khz MF (Medium Frequencies Frecuencias Medias) OM (Onda Media) 520 a 1 710 khz de AM HF (High Frequencies Frecuencias Altas) OC (Onda Corta) 1 711 khz a 29 999 MHz 11

Diagrama Espectro básico Radio de Eléctrico modulador Sub-bandas de onda corta 120 m 2.30 MHz a 2.49 MHz 90 m 3.20 MHz a 3.40 MHz 75 m 3.90 MHz a 4.00 MHz 60 m 4.75 MHz a 5.06 MHz 49 m 5.90 MHz a 6.20 MHz 41 m 7.10 MHz a 7.35 MHz 31 m 9.40 MHz a 9.99 MHz 25 m 11.60 MHz a 12.10 MHz 21 m 13.50 MHz a 13.87 MHz 19 m 15.10 MHz a 15.80 MHz 16 m 17.48 MHz a 17.90 MHz 15 m 18.90 MHz a 19.02 MHz 13 m 21.45 MHz a 21.75 MHz 11 m 25.60 MHz a 26.10 MHz Diagrama Espectro básico Radio de Eléctrico modulador VHF (Very High Frequencies Frecuencias muy altas) Teléfonos inalámbricos, 40 a 50 MHz Controles remotos por ondas de radiofrecuencia, 40 a 75 MHz Canales de televisión (del 2 al 6), 54 a 88 MHz FM (Frecuencia Modulada), 88 a 108 MHz Banda de radio aeronáutica, 108 a 137 MHz Canales de televisión (del 7 al 13), 174 a 220 MHz 12

Diagrama Espectro básico Radio de Eléctrico modulador UHF (Ultra High Frequencies Frecuencias ultra altas) Canales de televisión del 14 al 83 470 a 890 MHz GPS (Global Positioning System - Sistema de Posicionamiento Global), 1 227 a 1 575 MHz GSM (Global System for Mobile Communication Sistema Global para Telefonía Móvil o Celular), 900 a 1 900 MHz Wi-Fi (802.11b) (Wireless Fidelity Fidelidad inalámbrica), 2,4 GHz Bluetooth, 2,45 GHz Diagrama Espectro básico Radio de Eléctrico modulador Bandas de Microondas Desde Hasta Frecuencia Nombre 1 2 GHz L 2 4 GHz S 4 8 GHz C 8 12 GHz X 12 18 GHz Ku 18 26.5 GHz K 26.5 40 GHz Ka 30 50 GHz Q 40 60 GHz U 50 75 GHz V 60 90 GHz E 75 110 GHz W 90 140 GHz F 110 170 GHz D 13

Diagrama básico de modulador Ganancia de una Etapa V A V = V SAL ENT A = I I I SAL ENT A = P P P SAL ENT Diagrama básico de modulador Ganancias de Tensión y Potencia en db Relación (potencia o tensión) Ganancia de Potencia en db Ganancia de Tensión en db 10-6 -60-120 10-5 -50-100 10-4 -40-80 10-3 -30-60 10-2 -20-40 10-1 -10-20 1 0 0 10 1 10 20 10 2 20 40 10 3 30 60 10 4 40 80 10 5 50 100 10 6 60 120 14

Diagrama básico de modulador Potencias expresadas en dbm dbm Potencia Descripción 60 1 kw Potencia típica de transmisión de una estación de radio FM. Radiación típica de RF de un horno de microondas. 40 10 W Potencia entregada a las antenas de telefonía móvil 36 4 W 30 1 W 24 250 mw 21 125 mw Salida típica de potencia para una banda de radio ciudadana (27 MHz) en muchos países Fuga RF típica de un horno de microondas. Máxima salida de potencia para un teléfono celular GSM1800/1900 Máxima salida de potencia para un teléfono celular UMTS/3G (teléfono de potencia clase 3) Máxima salida de potencia para un teléfono celular UMTS/3G (teléfono de potencia clase 4) 20 100 mw BlueTooth Estándar Clase 1, cobertura de 100 m. Potencia típica de un router inalámbrico WiFi. Diagrama básico de modulador Potencias expresadas en dbm dbm Potencia Descripción 15 32 mw Potencia típica de de transmisión de WiFi en laptops. 4 2.5 mw Estándar Bluetooth clase 2, cobertura de 10 m 0 dbm 1.0 mw Estándar Bluetooth Clase 3, cobertura de 1 m. -10 100 µw Rango de potencia de señal inalámbrica (802.11x) recibida por una red WiFi -70 100 pw Rango de potencia de señal inalámbrica (802.11x) recibida por una red WiFi -127.5 0.178 fw Potencia típica recibida de un satélite GPS -174 0.004 aw -194 0.00004 aw - 0 W Ruido térmico para un ancho de banda de 1 Hz a temperatura ambiente. Ruido térmico para un ancho de banda de 1 Hz en el espacio exterior. (4 Kelvin) La potencia cero no se expresa correctamente en dbm (su valor es menos infinito) 15

Diagrama básico de modulador Uso de dbm AdBm -70 0,0000001 mw Diagrama básico de modulador Uso de dbm Tarjetas PCMCIA Orinocco : 11Mbps => -82 dbm 5.5Mbps => -87 dbm 2Mbps=> -91 dbm 1Mbps=> -94 dbm. Tarjetas CISCO Aironet 350: 11Mbps => -85 dbm 5.5 Mbps => -89 dbm 2 Mbps => -91 dbm 1 Mbps => -94 dbm Cliente USB Edimax: 11Mbps => -81 dbm Router/AP Belkin: 11 Mbps => -78 dbm 16

Diagrama básico de modulador Conceptos básicos de ruido En electrónica y las telecomunicaciones, se denomina ruido a todas las señales eléctricas que interfieren sobre las señales que se transmiten o procesan. Las distorsiones que produce el ruido afecta tanto a señales analógicas como digitales Diagrama básico de modulador Origen de los ruidos Ruidos Internos Ruidos Externos 17

Diagrama básico de modulador Ruidos Internos Ruido térmico Ruido de impulso o granalla Ruido de partición Ruido de centelleo Ruido de tiempo de tránsito Diagrama básico de modulador Ruidos Térmico P N = ktb P N : Potencia de ruido en Watt k : Constante Boltzmann 1,38.10-23 Joules/oKelvin [J/K] T: Temperatura en grados Kelvin B: Ancho de banda de la potencia de ruido en Hertz 18

Diagrama básico de modulador Ruidos de Impulso I N = 2qI 0 B I N = Valor de la corriente en RMS de la corriente ruido en A q= Valor de la carga de un electrón (1,6 10-19 Coulomb) I 0 = Corriente de polarización de continua en el dispositivo en A B= Ancho de banda en donde se observa el ruido en Hz Diagrama básico de modulador Ruidos de Partición Tiene características similares al de granalla en espectro y forma de generación. Se presenta en dispositivos donde una sola corriente se separa en dos o mas trayectorias. Ejemplo: La corriente de emisor de un transistor que está formada por las corrientes, de base y colector 19

Diagrama básico de modulador Ruidos Externos Provienen de las siguientes fuentes: Equipos y máquinas Atmosféricos Espaciales Diagrama básico de modulador Relación Señal Ruido Potencia Señal S / N ( db) = 10 log = Potencia Ruido P 10 log P S N V S / N ( db) = 20 log V S N 20

Diagrama básico de modulador Cifra o Figura de Ruido NF = ( S / N) ( S / N) i o Componentes de los sistemas de comunicaciones Amplific. Amplificador Modulador V A C de RF D m Fuente de señal Oscilador de RF B Amplif. multiplic. Filtros adaptadores Antena Transmisora 21

Componentes de los sistemas de comunicaciones Ruido Amplificador de RF A Mezclador B C Amplif. defi Amplif. de FI D Detector E Amplif Audio Oscilador Local 22