Tema 1: Sistemas de comunicación digital Transmisión digital (I.T.T. Telemática)
Introducción Se entiende por comunicación al proceso por el cual se transfiere información desde un punto llamado fuente a otro punto llamado destino. Dependiendo del tipo de información que se desea transmitir, los sistemas de comunicación se pueden dividir en: Sistemas de comunicación analógica. Sistemas de comunicación digital. En los sistemas de comunicación analógica se transmiten mensajes que pertenecen a un conjunto infinito y continuo de valores, lo cual hace que estos sean muy sensibles a cualquier perturbación que se superponga a ellos. En los sistemas de comunicación digital los mensajes pertenecen a un conjunto finito y discreto de valores, siendo menos sensibles a los ruidos que se superpongan a ellos durante la transmisión. Una de las diferencias entre un sistema de comunicación analógico y un sistema de comunicación digital la marca el tipo de receptor utilizado en cada caso, en los sistemas de comunicación analógica el receptor reproduce la señal que se está recibiendo, en los sistemas de comunicación digital el receptor debe elegir entre un conjunto finito de símbolos.
Introducción La medida de calidad de un sistema de comunicación digital va ligada al número de decisiones erróneas que se pueden tomar, es decir la probabilidad de error (Pe). En los sistemas de transmisión analógica los repetidores amplifican y retransmiten tanto la señal recibida como el ruido, por lo tanto el ruido va a ser acumulativo. En los sistemas de comunicación digital cada repetidor reconstruye la señal original, retransmitiéndose libre de ruido. Señal distorsionada Filtro amplificado Muestreador Comparador Señal regenerada t Sincronizador de bit Reloj V 0 t La evolución de los sistemas de comunicación digital viene marcada por la evolución de las tecnologías en el campo de las telecomunicaciones, lo cual permite una serie de ventajas respecto a los sistemas de comunicación analógica.
Introducción Ventajas de los sistemas de comunicación digital. a. Simplicidad de diseño de los circuitos digitales y facilidad con que se pueden aplicar las técnicas de circuitos integrados a los sistemas digitales. b. Posibilidad de preservar la intimidad con el uso de una codificación criptográfica. c. Posibilidad de mezclar y transmitir señales procedentes de diversos servicios. d. Posibilidad de regeneración de la señal transmitida. e. Facilidad de multiplexación. f. Mejor respuesta ante relaciones señal-ruido bajas. g. Casi todas las señales analógicas pueden convertirse a señales digitales. h. Debido a la alta inmunidad al ruido, es prácticamente independiente la calidad de la transmisión con la longitud del enlace. i. Posibilidad de hacer coexistir, en la misma antena, portadoras de microondas para transmisión analógica (múltiplex por división en la frecuencia) y para transmisión digital (PCM)
Introducción Inconvenientes de los sistemas de comunicación digital. a. Los sistemas de comunicación digital precisan de un canal de transmisión de mayor ancho de banda que el analógico, para transmitir la misma información. b. La detección de señales digitales requiere un sistema de sincronización cuando al receptor le llega un flujo de dígitos. Se deben tomar, principalmente, dos decisiones: Instante óptimo de muestreo de cada dígito a fin de reconocerlo correctamente. Identificar el comienzo de cada una de las tramas a fin de separar y distribuir la información. c. Necesidad de conversión A/D y D/A en los casos de transmitir información analógica. d. Incompatibilidad con la red analógica existente.
Diagrama de bloques de un S. C. D. Fuente de información digital Codificador de fuente Encriptador Codificador de canal Multiplexador Modulador Acceso múltiple Filtro transmisor Sincronismo Canal de transmisión Destino de información digital Decodificador de fuente Desncriptador Decodificador de canal Demultiplexador Demodulador Acceso múltiple Filtro receptor
Fuente de información digital La fuente de información digital es la encargada de convertir el mensaje que se desea transmitir en una señal eléctrica adecuada al tipo de sistema que se va a utilizar. Por tratarse de un sistema de comunicación digital, la fuente debe generar una señal de tipo digital. En el caso de que la señal eléctrica sea de tipo analógico, será necesario utilizar un conversor A/D que convierta dicha señal analógica en señal digital.
Codificador de fuente El codificador de fuente tiene la función de eliminar parte de la redundancia ofrecida por la fuente, ofreciendo a la vez una compresión en el código. En la transmisión de señales vocales la información que genera la fuente es muy redundante ya que en su mayor parte la señal se compone de niveles bajos de tensión, dándose en escasas ocasiones los niveles altos. La mejora que introduce un cuantificador no uniforme está relacionado con la curva de compresión utilizada, dependiendo esta, de las características de la señal que se desea transmitir.
Encriptador En los sistemas de comunicación actual surge la necesidad de proporcionar confidencialidad a las comunicaciones, para ello se utiliza este bloque. Con el cifrado o la criptología se modifica la señal correspondiente a la información de forma que solamente el destinatario autorizado pueda descifrarla. El proceso de cifrado debe de ser un proceso económico tanto para la fuente como para el destinatario, pero al mismo tiempo debe ser difícilmente descifrable para cualquier intruso.
Codificador de canal Se encarga de adecuar la señal que se desea transmitir a las condiciones que se van a dar en el canal de transmisión. Debido al ruido que se añade a la señal, la información recibida en el destino será diferente a la entregada por la fuente, es decir habrá un porcentaje de bits recibidos erróneamente (BER: Bit Error Rate). El codificador añade redundancia a la señal con la intención de poder detectar y corregir los posibles errores de la transmisión. Podría parecer paradójico el hecho de que en el codificador de fuente se intente eliminar la redundancia y sin embargo en el codificador de canal se añada redundancia, esto es debido a que la redundancia generada por la fuente de información no aporta nada a la transmisión sin embargo la redundancia añadida por el codificador de canal sirve para mejorar la transmisión.
Multiplexador La multiplexación permite compartir los recursos de un sistema de comunicación, por varias señales diferentes. Dentro de los multiplexores se encuentra el MDF (múltiplex por división de frecuencia) y el MDT (múltiplex por división en el tiempo), en este caso se utiliza la M.D.T.. El mayor problema con el que se puede encontrar el múltiplex por división en el tiempo es que el receptor debe ser capaz de saber a que señal pertenece cada una de las muestras que están llegando, esto implica que el emisor y el receptor han de estar perfectamente sincronizados.
Modulador El modulador realiza la operación de la modulación, que es el proceso por el cual se modifica alguna de las características de la portadora mediante la señal moduladora. Los parámetros de la portadora susceptibles de ser modificados son la amplitud, la frecuencia y la fase, así, se obtienen modulaciones digitales como: ASK FSK PSK M-QAM DPSK Y muchas otras.
Acceso múltiple Este bloque permite compartir el canal de transmisión por diferentes señales al igual que ocurría en el bloque de multiplexado. La diferencia entre el bloque de multiplexado y el de acceso múltiple radica en que mientras en el bloque de multiplexado las señales que llegan son en banda base, en el bloque de acceso múltiple se trabaja con señales moduladas. Hay varios métodos de acceso múltiple, algunos de ellos son: Acceso múltiple por división en frecuencia (AMDF). Acceso múltiple por división en el tiempo (AMDT). Acceso múltiple por división en el código (AMDC), (códigos ortogonales). Acceso múltiple por división en el espacio (AMDE). Acceso múltiple por división en la polarización(amdp).
Filtro transmisor Este bloque actúa a modo de filtro, limitando la señal modulada en función del ancho de banda establecido por el canal de transmisión, así mismo adecuará la potencia de transmisión de la señal modulada. Este filtro va a permitir controlar la interferencia entre símbolos (I.E.S. ó I.S.I.), tal como se estudiar en posteriores temas.
Canal de transmisión El canal de transmisión va a ser el medio que va a utilizar la señal modulada para ser transmitida. El canal de transmisión puede ser analógico o digital. La diferencia entre un canal analógico y uno digital radica en que el digital incluye repetidores regenerativos y viene definido mas que por el ancho de banda, por el régimen binario. El canal contribuye en gran parte a los errores de transmisión. Las dos causas principales de naturaleza física que contribuyen a los errores en la transmisión son la atenuación que condiciona la potencia recibida y la limitación de ancho de banda. Puesto que las dos limitaciones no tienen el mismo orden de importancia, cabe destacar dos tipos de canales: Canales limitados en potencia: Son canales en los cuales es difícil aumentar la potencia de transmisión, la solución pasaría por reducir la distancia entre emisor y receptor o mejorar las antenas. En este tipo de canales existen dos formas básicas de reducir la probabilidad de error. La primera consiste en disminuir la velocidad de transmisión de la información con el fin de aumentar el tiempo de toma de decisión. La segunda posibilidad consiste en utilizar códigos o formas de ondas especiales que reduzcan la probabilidad de error, aunque esto exige un aumento del ancho de banda. Canales limitados en ancho de banda: En estos canales hay una restricción en el ancho de banda disponible, sin embargo, dentro de estos límites se admiten niveles de potencia relativamente altos, lo cual permite una mejora en la probabilidad de error.
Sincronización Las señales de sincronización, en un sistema de comunicación digital, van a ser muy importantes a la hora de permitir recuperar correctamente la información transmitida de ahí la importancia que tiene el poder obtener dichas señales. Para poder recuperar la información transmitida a través de un sistema de comunicación digital se precisa conocer la señal de sincronismo de bit, señal de sincronismo de trama y señal de sincronismo de portadora. Señal de sincronismo de bit: permite distinguir el intervalo correspondiente a cada uno de los bits transmitidos. Señal de sincronismo de trama: permite separar los distintos grupos de bits de una transmisión múltiplex de forma que los bits recibidos se puedan clasificar y dirigir al canal de salida apropiado. Señal de sincronismo de portadora: permite recuperar la frecuencia y la fase de la portadora utilizada en la señal paso-banda de transmisión, para la detección coherente de la señal. Los sistemas de comunicación digital están diseñados de tal forma que las señales de sincronismo se pueden recuperar bien a través de la señal recibida o bien a través de la información recibida de un canal dedicado exclusivamente a transmitir la información de sincronismo.