12_Telecommunicaciones Basicas_v1

Transcripción

Fundamentos de
telecommunicaciones
Materiales de apoyo para entrenadores en
redes inalámbricas
Thursday, November 17, 2011
Version 1.1 by Ermanno, @2010-1-31
Version 1.6 by Ermanno, @2011-11-1
Metas
Presentar los conceptos básico de los sistemas de
telecomunicaciones enfocándose en los sistemas digitales
inalámbricos
2
Conceptos Básicos
•Señales
Analógicas, Digitales, Aleatorias
•Muestreo
•Ancho de Banda
•Espectro
•Ruido
•Interferencia
•Capacidad del Canal
•BER
•Modulación
•Multiplexing
•Duplexing
3
Señales de Telecomunicaciones
Las señales de telecomunicaciones son variaciones en el
tiempo de voltajes, corrientes, o niveles de luz que
transportan información.
En las señales analógicas, estas variaciones son
directamente proporcionales a alguna magnitud física,
como sonido, luz, temperatura, velocidad del viento, etc.
La información también se puede transmitir por señales
digitales binarias, que tendrán solamente dos valores, el
cero digital o el uno digital.
4
Señales de Telecomunicaciones
Toda señal analógica se puede convertir en digital si la
muestreamos adecuadamente.
La frecuencia de muestreo debe ser al menos el
doble de la frecuencia máxima presente en la señal para
poder transmitir toda la información contenida en ella.
La señales aleatorias son aquellas impredecibles, que
solo pueden describirse por métodos estadísticos.
El ruido es una señal aleatoria típica, caracterizada por
su potencia promedio y su distribución de frecuencia.
5
La voz y el video son ejemplos de señales analógicas, mientras que un texto escrito y el
código Morse utilizado en telegrafía son ejemplos de señales digitales.
Cualquier señal analógica se puede convertir en una señal digital que contiene la misma
información. Las señales digitales son más robustas y más fáciles de almacenar y de
transportar por lo que son las que más se usan hoy en día.
Ejemplos de Señales
Señal modulada en amplitud
Señal modulada en frecuencia
6
Ejemplos de señales utilizadas en sietema de comunicaciones
Señal Sinusoidal
A
⊖
v(t)= A cos(wot - ⊖)
T
0
time
-A
A = Amplitud, voltios
wo = 2*πfo , frequencia angular en radianes
fo = frequencia en Hz
T = periodo en segundos, T= 1/fo
⊖ = fase
7
La Señal Sinusoidal es muy importnate y se puede expresar en una forma matemáticamente
muy simple. Contiene una sola frecuencia. La fase representa el desplazamiento desde el
oorigen de la señal, cuando el desplazamiento es de 90° podemos expresar también la señal
como
v(t)=A*sin (w t)
Señales y Espectros
8
Una señal se puede caracterizar por su valor en el tiempo o por sus componentes de
ftrecuencia, que constituyen su espectro. Cualquier señal periódica está compuesta de
muchas componentes sinusoidales, todas múltiples de la componente fundamental, que es el
inverso del período de la señal fo=1/T.
Análisis Espectral y Filtros
f3
f2
f1
Osciloscopio
Analizador de
Espectros
9
La gráfica muestra que podemos ver una señal desde dos perspectivas: cómo evoluciona con
el tiempo,que es lo que nos mostraría un osciloscopio, u observando las potencias
correspondientes a sus diferentes componentes de frecuencia, que es lo que nos muestra un
analizador de espectros.
La distribución espectral ofrece información muy importante acerca de la señal
y permite la comprensión intuitiva del concepto de filtrado de las señales eléctricas.
En el ejemplo mostrado, la sdeñal es formada por la superposición de tres componentes
sinusoidales a las frecuencias f1,f2 y f3.
Si pasamos esta señal a través de un dispositivo que elimine f2 y f3, la salida es una sinusoide
pura a la frecuencia f1. Esta operación se denomina “Filtrado de paso bajo” porque ha
eliminado las frecuencias más altas.
Alternativamente, podemos aplicar la señal a un “Filtro de paso alto”, un dispositivo que
elimina las frecuencias f1 y f2 dejando pasar únicamente una señal sinusoidal a la frecuencia
f3.
Se pueden hacer también otras combinaciones, dando lugar a una variedad de filtros,
No hay ningún dispositivo físico que pueda transmitir las infinitas frecuencias del espectro
electromagnético, asi que en la práctica todo dispositivo realiza como algún tipo de filtrado
sobre la señal que lo atraviesa,
El ancho de banda de una señal es la diferencia entre la frecuencia más alta y más baja que
contiene y se expresa en Hz.
10
Un filtro eléctrico es un dispositivo que selecciona un rango particular de frecuencias
mientras que atenúa fuertemente otras.
Un filtro pasabanda dejará pasar únicamente las frecuencias comprendidas entre la
frecuencia de corte superior y la frecuencia de corte inferior. Este tipo de filtro también puede
especificarse en términos de una frecuencia central fo y un ancho de banda B.
Un filtro de pasobajo bloqueará todas las frecuencias superiores a la frecuencia de corte fo.
Un filtro de paso alto solamente dejará pasra las frecuencias por encima de fo.
A bandstop filter, also called a notch filter, will remove the frequencies around fo.
Keep in mind that the skirt (transition region) of a filter is never vertical, so filters will not
perfectly block frequencies near fo and will allow a certain amount of the frequencies that
were supposed to block.
Regulatory bodies specify clearly this limitations by means of the “spectrum mask” which
states clearly the amount of attenuation required in each frequency segment of interest.
Muestreo
t
Señal Analógica Circuito de Muestreo Señal Muestreada
La señal muestreada puede ser cuantizada y codificada para
convertirla en una señal digital.
Esto se hace normalmente con un ADC (Analog to Digital
Converter).
La recuperación de la señal original se hace mediante un
DAC.
11
Hoy en día el mustreo y codificación de la señal se realizan mediante un dispositivo llamado t
ADC, normalmente un circuito integrado dedicado, o parte de un circuito más complejo. En el
receptor se realiza la operación recíproca mediante un DAC (Digital to Analog Converter) ,
que restablece la señal analógica original.
Muestreo de una Imagen
12
To visualize the effect of sampling, the image of the left has a normal resolution, while the
one on the right is shown at 10 pixels per inch, emphasizing the effect of sampling and
quantization.
Muestreo, Cuantización y Codificación
7
6
5
4
3
2
1
0
0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 131 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1
Codificación de una señal con 8 niveles posibles utilizando palabras digitales de 3 bits.
El voltaje varía entre 0 y 7 volts con 8 niveles de cuantización.
Se muestra la señal muestreada en verde. La señal muestreada puede tener cualquier valor,
por lo que es discreta en el tiempo, per analógica en voltaje. El proceso de cuantización
(mostrado en rojo), transforma la señal muestreada en una señal digital multinivel, que tendrá
solo valores discretos (numéricos) para poder ser codificados como una señal binaria (que
solo puede tener dos valores), mostrada con un fondo azul.
La primera muestra tiene un valor de 1.8 V, se cuantiza como el número 2 y se codifica en la
palabra digital 0 1 0, la segunda muestra es de 4.0 V, se cuantiza como el número 4 y se
codifica como 1 0 0, la tercera muestra es de 6.2 V, cuantizada como el número 6, codificado
como 1 1 0, la cuarta, quinta y sexta muestras tienen valores ligeramente diferentes, pero
todas son cuantifizadas en el mismo número 7 (incurriendo así en el error de cuantización) y
codificadas como 1 1 1.
Aunque el error de cuantización es irrecuperable, se puede hacer tan pequeño como se quiera
a expensas de usar palabras digitales más largas.
Así, normalmente se usan 8 bits por muestra para codificar la voz, pero 14 bits por muestra
para codificar música de alta fidelidad.
Para qué digital?
El ruido no se acumula cuando hay un cadena de
dispositivos en cascada, como ocurre con las señales
analógicas: CD Vs vinilo.
Lo mismo se aplica al almacenamiento de la información.
Es más fácil la detección en presencia de ruido, por lo
que se puede lograr mayor alcance.
Las señales digitales usan menos ancho de banda, se
ejemplificado el “Dividendo Digital” que se está
cosechando en varios países.
Los circuitos digitales son más fáciles de diseñar y
permiten mayores niveles de integración.
14
Sistema de Comunicaciones
TX
Channel
RX
15
El sistema de comunicaciones básico está formado por un transmisor Tx, un Canal y un
recptor RX.
El transmisor inyecta una señal en el canal que la entrega al receptor, el cual debe
recuperar la información contenida en la señal recibida a pesar de las limitaciones
introducidas por el canal.
El canal puede ser física, como un cable de cobe o una fibra óptica, o simplemente aire, e
inclusive el vacío que transmite las ondas electromagnéticas. Todo canal es sometido a algún
tipo de ruido eléctrico y a interfrerncia, atenuará la señal, la retardará y le cambiará en
alguna medida su forma (distorsión).
El retardo debido al tránsito de la señal desde el TX al RX se denomina latencia, y cuando
este retardo es variable se denomina “jitter” (fluctuación de retardo), que puede ser muy
perjudicial.
La señal puede llegar al receptor por diferentes taryectorias, y en consecuencia las diferentes
versiones recibidas se sumarán y pueden producir los errores de recepción debidos a
lamultitrayectoria (multipath).
La multitaryectoria puede llegar a cancelar totalmente la señal, pero con las técnicas de
comunicaciones modernas se pueden aprovechar para mejorar las prestaciones del sistema
empleando varias antenas simultáneamente para transmitir la misma señal y usando un
mecansimo sofisticado de detección.
Reatrdo
16
La gráfica inferior muestra una réplica retardada de la señal superior. El retardo es un factor
importante en la calidad del sistema de comunicaciones. Para una buena calidad de voz, el
retardo total (latencia) debe ser inferior a 150 ms, de acuerdo on la recomendación ITU-T G.
114. Sin embargo, cuando la comunicación se hace a través de un satélite geoestacionario, el
retardo mínimo es de alrededor de un cuarto de segundo, puesto que el satélite está a 36
000 km por encima de la tierra, y el recorrido total será de 72 000 km a una velocidad de
300 000 km/s.
Atenuación
Received Signal
Transmitted Signal
17
Aunque el efecto de la atenuación puede contrarrestarse fácilmente mediante un
amplificador, el amplificador también amplificará el ruido y además introducirá ruido
adicional.
Ruido en una señal analógica
18
El ruido puede llegar a enmascarar completamente la señal recibida. Los ingenierios de
telecomunicaciones llevan un siglo ensayando diferentes maneras de recuperar una señal
contaminada por ruido.
Limitación del ancho de banda
19
Todo canal real será limitado en ancho de banda, comportándose comu un filtro de pasobajo,
lo que significa que cualquier transición abrupta de de la señal será suavizada y también se
introducirán oscilaciones (ringing) en la banda de paso, donde la señal debería ser constante.
Normalmente, este efecto no será causa de errores puesto que el receptor muestrea la señal
y decide que recibió un 1 cuando el valor es superior al umbral o un 0 cuando es inferior.
Pero si estas oscilaciones son muy pronunciadas pueden causar un error de transmisión.
Interferencia
Toda señal diferente de aquella que nuestro sistema
está diseñado para recibir y que es capturada por el
receptor perjudica la comunicación y constituye
interferencia.
La interferencia intra-canal se produce en el mismo
canal que ocupa nuestra señal.
La interferencia co-canal es debida a limitaciones de
los filtros que dejan pasar señales provenientes de los
canales adyacentes.
20
Medida de la Información
I = log2 (1/Pe)
La información transmitida poruna seña se expresa en
bits y es proporcional al logaritmo del inverso de la
probabilidad de ocurrencia del correspondiente evento.
Mientras más improbable sea la ocurrencia de un
evento, mayor información transmitirá su ocurrencia.
La transmisión de un mensaje que el receptor ya
conoce no conlleva ninguna información.
La cantidad de información transmitida en un segundo
se conoce como capacidad del canal y s expresa en
bit/s.
21
La transmisión de la palabra “quiz” ejemplifica el contenido de información.
Cuando transmitimos la primera letra, el receptor tiene que adivinar entre las 28 posibles
letras del alfabeto (Pe=1/28, log2(28) = 4.8 bits ), pero después de haber recibido la q, la
única posibilidad es que la letra siguiente sea la u, así que la transmisión de la u no transmite
ninguna información. La transmisión de la i proporciona menos información porque sabemos
que debemos recibir una vocal, por lo que solo tendremos que adivinar entre 5 posibilidades,
I= log 2(5) = 2.3 bits.
Redundancia
Enviar dos veces la misma información es un
desperdicio de la capacidad del sistema que reduce el
caudal (throughput).
Sin embargo, si ocurre un error, la redundancia puede
usarse para recuperar la información y contrarrestar el
error.
Todo código corrector de errores debe emplear
algún tipo de redundancia.
22
Sin embargo, si ocurriera un error de transmisión en la primera letra, la transmisión de la
segunda nos ayuda a adivinar la primera, es decir la redundancia nos permite recuperar la
información en presencia de errores. El principio de FEC (Forward Error Correction) y de todos
los demás métodos de corrección de errores se basa en la transmisión de información
redundante.
Capacidad del Canal
TX
Channel
RX
23
La eficiencia en el uso del ancho de banda, o eficiencia espectral, es un parámetro
importante en los sistemas de comunicaciones, puesto que el espectro es valioso y hay que
utilizarlo de la mejor manera posible, por lo que los diseñadores se esmeran para empacar
tantos bits/s en un determinado ancho de banda como sea posible. Esto incrementa la
complejidad del sistema y los requerimientos de relación S/N necesaria para la correcta
decodificación de la señal recibida. Esta es la razón por la cual muchos sistemas ofrecen
mayores tasas de transmisión a los suscritores que están cerca de la estación base para los
que la señal recibida es más fuerte.
Puesto que la tasa de transmisión en bits/s (o capacidad del canal), es proporcional al ancho
de banda en Hz, es común especificar el ancho de banda en bits/s. Tenga en cuenta que el
número de bits transportados en cada Hz puede ser tan pequeño como 1/2 in mind that the
number of bits carried by each hertz can be as low as 1/2 or as high as 8.
Detección de una señal ruidosa
24
En la figura, los datos originales están constituidos por la secuencia 0 1 0 1 1 1 0. Los 0 se
representan con cero voltios y los 1 con 1 V. A medida que la señal se aleja del transmisor
su amplitud disminuye. Este efecto se llama atenuación , y se muestra en la lámina 16.,
También habrá un retardo, y cualquiera de estos efectos, si es muy severo puede causar un
error de detección.
Un amplificador puede ayudar, pero el ruido eléctrico siempre presente se añade a la señal
recibida. La señal ruidosa recibida es muy diferente de la señal original, puesto que es un
sistema digital todavía podemos recuperar la información contenida en la señal original
muestreando la señal ruidosa recibida y comparando los valores en los instantes de muestra
con un valor umbral escogido adecuadamente.
En este ejemplo la señal ruidosa recibida tiene un pico de 1.8 V, así que podríamos escoger
un voltaje umbral 0.9 V. Si la señal recibida en un determinado instante de muestreo está
por arriba del umbral, la salida del detector será 1 digital, y en caso contrario será un 0. En
este caso podemos ver que debido al efecto del ruido el quinto bit fue fue detectado
erróneamente como un cero.
Los errores de transmisión también pueden occurir si el período de la señal de muestreo es
diferente del de los datos originales (falta de sincronización de los relojes) o si el el reloj del
detector no es lo suficientemente estable (jitter). Cualquier sistema físico tendrá un límite en
la frecuencia máxima que puede transmitir sin atenuación (el ancho de banda del sistema),
así que una subida o caída brusca de voltaje será suavizada a medida que la señal transita
porvel canal.
Por tanto, debemos asegurarnos de que cada elemento del sistema tiene suficiente ancho de
banda para acomodar la señal. Por otra parte, a mayor ancho de banda del receptor, mayor
cantidad de ruido afectará la señal.
MoDem
1
0
1
Medio de Transmisión
0
!
Mod
Señal Digital
!
1
-Dem
Señal Analógica
0
1
0
!
!
Señal Digital
25
A fin de transmitir una señal a cierta distancia, tendremos que utilizar un modulador.
Las funciones del modulador son:
Seleccionar la frecuencia de la señal para que se acomode a las características del canal (o al
ambiente regulatorio).
Permitir que varias señales compartan el mismo canal, en el proceso conocido como
multiplexaje.
Ofrecer la posibilidad de intercambio de ancho de banda por robustez, de acuerdo a las
exigencias específicas.
Por supuesto en el extremo receptor deben realizarse las operaciones recíprocas. Así, en un
sistema bidireccional el mismo dispositivo realiza ambas funciones y se denomina Modem.
La palabra modem es la combinación de modulador y demodulador.
Comparación de técnicas de
modulación
1
0
1
0
Secuencia Digital
Modulación ASK
Modulación FSK
Modulación PSK
Modulación QAM, cambia tanto
la amplitud como la fase
26
La secuencia digital sequence 1 0 1 0 se muestra modulando una portadora asinusoidal en
ASK (Amplitude Shifting Keying), FSK (Frequency Shifting Keying), PSK (Phase Shifting Keying)
y QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Modulación en cuadratura es otro término usado
para modulación binaria de fase. Hay una gran variedad de técnicas de modulación derivados
a partir de la combinación de estos esquemas básicos.
BER Versus Eb/No
de Wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/Bit_error_rate
27
La tasa de error por bit BER (bit error rate) corresponde al número de bits erróneos
recibidos dividido por el número total de bits transferidos, a menudo expresado como un
porcentaje.
Eb es la energía por bit. No es la densidad espectral de ruido. Suponemos un canal perturbado
por ruido Gaussiano (AWGN) como un caso típico. La gráfica muestra la relación no lineal
entre BER y Eb/No para diferentes esquemas de modulación. Para un BER de 10-4, la Eb/No
tdebe ser de 8.3 dB para esquemas de modulación muy robustos como BPSK (Bipolar Phase
Shifting Keying). Si usamos 8-PSK (Phase Shifting Keying de 8 estados), necesitamos una Eb/
No de 10.7 dB. Este es el precio que se paga para poder distinguir entre 8 posibles estados
de la señal recibida en lugar de 2. Pero ahora podemos transportar 3 bits por cada símbolo
transmitido. Si usamos 16-PSK, podemos empacar 4 bits por símbolo, pero necesitaremos
16 dB de Eb/No.
Siempre hay un compromiso entre la Eb/No y la tasa de transmisión que podemos alcanzar
con la misma probabilidad de error. Podemos empacar más bits por símbolo, y así mejorar el
caudal, pero necesitaremos una señal más potente. En la práctica esto significa que mientras
más cerca estemos del transmisor, mejor velocidad de transmisión obtendremos.
Un valor 10-5 es típico para la BER de un canal de radio. Cuál será la S/N requerida para
modulación 8-PSK? Eb/No = (bits/Symbol )*S/N
En los sistemas de transmisión por fibras ópticas hay muy poco ruido y la BER de 10-9 es lo
normal.
Comparación de tipos de modulación
BER de 10-6
Tipo de Mod.
16 PSK
Bits/Símbolo
4
Eb/No Requerido
18 dB
16 QAM
4
15 dB
8 PSK
3
14.5 dB
4 PSK
2
10.1 dB
4 QAM
2
10.1 dB
BFSK
1
13.5 dB
BPSK
1
10.5 dB
28
Eb: Energía por bit
No: densidad espectral del ruido, W/Hz
En este ejemplo se ha supuesto un modelo de canal diferente, y una BER de 10-6,
Note que tanto 16-PSK (Phase Shift Keyeing) como16-QAM (Quadrature Amplitude
Modulation) transporatn el mismo número de bits por símbolo, pero sin embargo hay una
diferencia de 3 dB en la relación Eb/No requerida. Esto es debido al hecho de que el rudo
afecta más a la amplitud que a la fase de la señal, para elevados valores de Eb/No. Este no es
el caso a la Eb/No de 10.1 dB donde las prestaciones de 4-PSK y 4-QAM son las mismas.
Multiplexing
A
A
!
B
Multiplexer
!
C
ABCD
Demultiplexer
!
!
B
!
Canal de comunicacion
!
!
C
D
D
!
!
!
29
Multiplexing es el mecanismo de compartición de un canal entre diferentes usuarios. El canal
de comunicación puede ser un cable de cobre, una fibra óptica, o el espacio entre la antena
transmisira y la antena receptora.
Los diferentes usuarios se pueden distinguir empleando diferentes frecuencias portadoras,
diferentes ranuras de tiempo, o diferentes regiones del espacio.
En el extrem receptor deberá realizarse la operación recíproca para recuperar los flujos
individuales y entregarlos a los respectivos destinatarios.
Técnicas de compartición del medio
30
En FDMA (Frequency Division Multiple Access -Acceso Múltiple por División de Frecuencia- ),
se le asigna una banda de frecuencia diferente a cada usuario.
En TDMA (Time Division Multiple Access - Acceso Múltiple por División de Tiempo-), a cada
usuario se le asignan diferentes ranuras de tiempo, y todos transmiten en la misma
frecuencia.
En CDMA (Code Division Multiple Access -Acceso Múltiple por División de Código- ), los
usuarios se distinguen mediante un código matemático específico de cada uno, pero
comparten la misma frecuencia y el mismo intervalo de tiempo.
Ejemplo:
Adjudicación de canales en EEUU
Potencia de
la señal
Canal 2
54
60
Canal 3
Canal 4
66
Canal 5
72
Canal 6
76
82 frecuencia, MHz
31
El ancho de banda nominal por canal es de 6 MHz, pero como los filtros usados en el
transmisor no son perfectos, siempre hay cierto “desborde” de la señal en los canales
adyacentes.
Por tanto, si en cierta área se usa el canal 2, el canal 3 debe dejarse desocupado
y el siguiente canal disponible es el 4, luego el 6, y así sucesivamente.
Estas “bandas de guarda” que deben dejarse vacantes para eviatr interferemcia constituye un
desperdicio de espectro valioso, que, en el caso de la TV, se denominan “Espacios en
Blanco” (White Spaces).
La TV digital tiene un espectro más estrecho y estos espacios en blanco pueden ser
aprovechados en otras aplicaiones en lo que es llamado el “Dividendo Digital”
Otro enfoque usado en la mayoría de los sistemas modernos emplea técnicas de modulación
más sofisticadas par eliminar la interferencia en los canales adyacentes usando OFDM
(Orthogonal Frequency Diversion Modulation) y así lograr un uso más eficiente del especto
disponible.
Analogía de CDMA
Dos mensajes
superpuestos, uno en
amarillo y otro en azul
Un filtor azul revela lo
que está escrito en
amrillo
Un filtro amarillo revel lo
que está escrito en azul
32
Esta analogía visual pretende explicar como dos mensajes diferentes pueden superponerse
en el mismo medio y después pueden ser separados utilizando la técnica de detección
apropiada.
Tipos de transmisiones
Simplex:
en un solo sentido, por ejemplo, la TV
Half-duplex:
Las dos estaciones que se comunican se turnan en
el uso del canal, ejemplo los walkie-talkie. Requiere
un mecanismo para coordinar el accesso. Esta
técnica es llamada también TDD (Time Division
Duplexing)
Full-duplex:
Las dos estaciones pueden transmitir
simultáneamente, empleando diferentes frecuencias.
Esta técnica es llamada también FDD (Frequency
Division Duplexing). Se debe dejar una banda de
guardia vacía entre tlas dos frecuencias en uso.
33
Conclusiones
El sistema de communicaciones debe vencer el ruido y
la interferencia para entregar una réplica usable de la
señal al receptor.
La capacidad del canal de comunicaciones es
proporcional al ancho de banda y al logaritmo de la
relación S/N (señal/ruido).
La modulación se usa para adaptar la señal al canal y
para permitir que varias señales compartan el mismo
canal.
Los esquemas de modulación de orden superior
permiten alcanzar mayores velocidades de transmisión,
pero requieren una relación S/N más elevada.
El canal puede ser compartido entre varios usuarios
que emplean diferentes frecuencias, diferentes ranuras
de tiempo o diferentes códigos.
34
Gracias por su atención
Para más detalles sobre los tópicos
presentados en esta charla, vaya al libro
Redes Inalámbricas en los Países en
Desarrollo, de descarga gratuita en varios
idiomas en:
http://wndw.net/
35

12_Telecommunicaciones Basicas_v1

Transcripción

Documentos relacionados

March 12th

Noviembre – November 2015 - Oficina Hispana Católica

4725 E. Pima St. Tucson, AZ 85712 (520) 795 (520) 795-

Jesus christ, king of the universe Jesucristo, rey del universo