C O M U N I C A C I O N E S E L E C T RÓ N I C A S
Descargar como DOC, PDF0 recomendaciones692 vistas
1) El documento describe los conceptos básicos de las comunicaciones electrónicas, incluyendo la transmisión, recepción y procesamiento de información usando circuitos electrónicos. 2) Explica que la información debe convertirse en energía electromagnética antes de propagarse a través de un sistema de comunicaciones electrónicas y describe los componentes clave de un sistema como el transmisor, medio de transmisión y receptor. 3) Discuten temas como la modulación, demodulación, multiplexación y los diferentes tipos de sistemas de comunicaciones
C O M U N I C A C I O N E S E L E C T RÓ N I C A S
- 1. COMUNICACIONES ELECTRÓNICAS Es la transmisión, recepción y procesamiento de información usando circuitos electrónicos. Información Es el conocimiento, la sabiduría o la realidad y puede ser en forma analógica (proporcional o continua) tal como la voz humana, información sobre una imagen de video, o música; o en forma digital (etapas discretas), tales como número digital (etapas discretas), tales como número codificadas en binario, códigos alfanuméricos, simbólicos gráficos, códigos operacionales del microprocesador o informaciones de base de datos. Toda la información debe convertirse a energía electromagnética, antes de que pueda propagarse por un sistema de comunicaciones electrónicas. Diagrama de bloques simplificadas de un sistema de comunicaciones electrónicas (Dibujar diagrama de bloque) Fig. 1-1 1
- 2. Estos diagramas muestran la relación entre la información de la fuente original, el transmisor, el medio de transmisión (conducto), el receptor y la información recibida en el destino. Un sistema de comunicaciones electrónicas contiene tres secciones primarias: 1º Un transmisor 2º Un medio de transmisión 3º Un receptor El transmisor convierte la información original de la fuente de una forma más adecuada para la transmisión, el medio de transmisión proporciona un medio de conexión entre el transmisor y el receptor (tal como un conductor metálico, una fibra óptica o espacio libre), y el receptor convierte la información recibida a su forma original y la transfiere a su destino. La información original puede ser originada por una variedad de fuentes diferentes y ser de forma analógica o digital. El sistema de comunicación mostrado en al primera parte, solamente transmite información en una sola dirección. El segundo sistema de comunicación mostrado, es capaz de transmitir información en ambas direcciones. Cuando se transmite información a partir de muchas fuentes sobre un medio de transmisión común, la información debe cambiarse en una señal de información compuesta sencilla. 2
- 3. Cuando se cambia una información en una señal de información compuesta se le llama proceso de multicanalización. Cuando se separa una información de una señal de información compuesta se le llama dismulticanalización. Multicanalización es la transmisión de información (ya sea voz o de datos), de más de una fuente o más de un destino por el mismo medio de transmisión. Los dos métodos más comunes para lograr la multicanalización son: 1º Multicanalización de división de frecuencia (FDM) 2º Multicanalización de división de tiempo (TDM). Existen dos tipos básicos de sistema de comunicaciones electrónicas: Análogo y digital. El sistema de comunicación análogo es un sistema en el cual la energía electromagnética se transmite y recibe en forma analógica (una señal variando continuamente tal como una onda senoidal). Los sistemas de radio comerciales emiten señales analógicas. Un sistema de comunicación digital es un sistema en el cual la energía electromagnética se transmite y recibe en forma digital (niveles discretos tal como + 5v y tierra). Los sistemas binarios utilizan señales digitales que solo tienen dos niveles discretos (bi significa dos). Frecuentemente la información de la fuente original está en una 3
- 4. forma que no es adecuada para la transmisión y debe convertirse en una forma más adecuada antes de la transmisión. Por ejemplo, con el sistema de comunicaciones digitales, la información analógica se convierte en una forma digital antes de la transmisión y con los sistemas de comunicaciones analógicas, la información digital se convierte la forma analógica antes de la transmisión. Modulación y Demodulación En las comunicaciones de radio es necesario superponer una señal de inteligencia de frecuencia relativamente baja a una señal de frecuente relativamente alta para la transmisión. En los sistema de comunicaciones electrónicas analógicas, la información de la fuente (señal de inteligencia) actúan sobre o modula una señal senoidal de frecuencia sencilla. Modular significa variar, cambiar o regular. Por lo tanto, la información de la fuente de frecuencia relativamente baja se llama señal de modulación. La señal de frecuencia relativamente alta, sobre la cual se actúa (modulada) se llama portadora, y la señal resultante se llama la onda modulada o señal. En esencia la información de la fuente se transporta a través del sistema sobre la portadora. Con los sistemas de comunicaciones analógicos, la modulación es el proceso de variar o cambiar alguna propiedad de una portadora analógica de acuerdo con la información original de acuerdo con la información original de la fuente. Recíprocamente, la demodulación es el proceso de convertir los cambios en la 4
- 5. portadora analógica a la información original de la fuente. La modulación se realiza en el transmisor y la demodulación se realiza en el receptor, en un circuito llamado demodulador. La señal de información que modula la portadora principal se llama señal de banda base o simplemente banda base. La banda base es una señal de información, como un canal telefónico sencillo, y la señal de banda base compuesta es la señal para la información total, como varios cientos de canales telefónicos. Las señales de banda base se convierten en frecuencia alta en el transmisor y se convierten en frecuencia baja en el receptor. La traslación de frecuencia es el proceso de convertir una frecuencia sencilla o una banda de frecuencias a otra ubicación en el espectro de la frecuencia total. El termino canal es comúnmente utilizado, cuando se refiere a una banda específica de frecuencias distribuidas, para su servicio en particular o transmisor. Por ejemplo un canal estándar de banda de frecuencia para voz ocupa un ancho de banda de 3KHz y se utiliza para la transmisión de señal de voz de calidad. Un canal de radiofrecuencia se refiere a una banda de frecuencias usadas para propagar señales de radio frecuencia. La ecuación V(T) = V sen (2πft+ θ ) es la expresión para una onda senoidal variante con el tiempo de voltaje tal como portador analógico. 5
- 6. Tres propiedades de una onda senoidal pueden ser variadas: 1º La amplitud (V) 2º La frecuencia (F) 3º La fase ( θ ) 4º Cualquier combinación de dos o más de estas propiedades. Si la amplitud de la portadora es variada proporcionalmente a la información de la fuente resulta la amplificación modulada (AM). Si la frecuencia de la portadora varía proporcionalmente a la información de la fuente, resulta la frecuencia moduladora (FM). Si la fase de la portadora varía proporcionalmente a la información de la fuente, resulta la fase modulada (PM). En la ecuación V (t) sen (2πft+ θ ) V (t) = onda de voltaje que varia senoidalmente en el tiempo. V = máxima amplitud (volts) f = frecuencia (Hertz) θ = fase (radianes) Diagrama de bloques simplificado de un sistema de comunicaciones que muestra la relación entre la señal de modulación (información), la señal modulada (portadora), la onda modulada (resultante) y el ruido del sistema. 6
- 7. (Señal modulante Modulador Información) Onda modulada Información Amplificador Demodulador del destino Rx Portadora Ruido del sistema Estación A: Transmisora Estación B: Receptor Diagrama a bloques del sistema de comunicación Figura 1-2 Hay dos razones importantes de porque es necesaria la modulación en un sistema de comunicaciones electrónicas: La primera es el hecho de que es extremadamente difícil radiar señales a frecuencias bajas por la atmosférica de la tierra en forma de energía electromagnética. Segundo, la señal de información frecuentemente ocupa la misma banda de frecuencia y, si son transmitidas en su forma original, interferirán. La modulación y demodulación Explicación Cap. 3 y 4 7
- 8. Anexo Modulación: es el proceso de hacer una señal de banda base de voz, de video o señal digital, modifique a otra señal de más alta frecuencia, la portadora. Ver figura # 1-8; 1-9 Multiplexado: El uso de la modulación también permite utilizar otra técnica conocida como multiplezazo, que es el proceso mediante el cual dos o más señales pueden compartir el mismo medio o canal. El multiplexor convierte las señales individuales de banda base en una señal compuesta que se utiliza para modular a una portadora en el transmisor. En el receptor, la señal compuesta se recupera en el demodulador y luego se envía a un demultiplexor en donde se regeneran las señales originales de banda base. Ver figura # 1-11 y # 1-12 Pág. 15 Espectro electromagnético El propósito de un sistema de comunicaciones electrónica es comunicar información entre dos o más ubicaciones (generalmente llamadas estaciones). Esto se logra convirtiendo la información de la fuente original a energía electromagnética y después transmitiendo la energía a uno o más destinos, en donde se convierte de nuevo a su forma original. 8
- 9. La energía electromagnética puede propagarse en varios modos: Como un voltaje o una corriente a través de un cable metálico, como onda de radios emitidas por el espacio libre y como ondas de luz por una fibra óptica. La energía electromagnética esta distribuida a través de un rango de frecuencias casi infinito. El espectro de frecuencia electromagnética total que muestra las localizaciones aproximadas de varios servicios dentro de la banda se enseña en la siguiente figura. Figura 1-3 Espectro de frecuencia electromagnética El espectro de frecuencias se extiende desde las frecuencias subsónicas (unos cuantos Hertz) a los rayos cósmicos, (1022Hz). Cada banda de frecuencias tiene una característica única que la hace diferente de las otras bandas. Cuando se trata de ondas de radio, es común usar las unidades de la longitud en vez de la frecuencia. La longitud de onda es la longitud que un ciclo de una onda electromagnética ocupa en el espacio (es decir, la distancia entre los puntos semejantes en una onda repetitiva). La longitud de onda es inversamente proporcional a la frecuencia de la onda y directamente proporcional a la velocidad de propagación (la velocidad de propagación de la energía electromagnética en el espacio libre se asume que sea la velocidad de la luz, 3x108 m/s) la relación entre la frecuencia, velocidad y longitud de onda se expresa matemáticamente. 9
- 10. velocidad Longitud de onda = frecuencia c λ= f Donde λ = longitud de onda (metros por ciclo) c = velocidad de la luz (300,000,000 m/s) f = frecuencia (Hertz) El espectro total de la longitud de onda electromagnética que enseña varios servicios dentro de la banda. Figura 1-4 Espectro de longitud de la onda electromagnética. Determine la longitud de onda para las siguientes frecuencias: 1KHz, 100KHz y 10MHz. c λ= f 300,000,000 λ= = 300,000 m 1,000 300,000,000 λ= = 3,000 m 100,000 300,000,000 λ= = 30 m 10,000,000 10
- 11. Frecuencias de transmisión El espectro total de la frecuencia electromagnética esta dividida en subsectores o bandas. Cada banda tiene un nombre y limites. En Estados Unidos, las asignaciones de frecuencias para la propagación de radio en espacio libre, son asignadas por la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC). Por ejemplo la banda de radiodifusión de FM comercial se extiende de 88 a 108 MHz. Las frecuencias exactas asignadas a transmisores específicos funcionando en las diversas clases de servicios están constantemente actualizándose y alterándose, para cubrir las necesidades de comunicaciones de la nación. Sin embargo, la división general de espectro de frecuencia totalmente utilizable se decide en las convenciones internacionales de telecomunicaciones, las cuales son realizadas aproximadamente cada 10 años. El espectro de frecuencia de radio (RF) totalmente utilizable se divide en bandas de frecuencia más angostas, las cuales son asignadas con nombre descriptivos y numéricos de banda. Las designaciones de banda del Comité Consultivo Internacional de Radio (CCIR), se menciona en la tabla 1-1. Tabla fotocopia 11
- 12. Varias de estas bandas se dividen en diversos tipos de servicios, tales como una búsqueda a bordo de un barco, microondas, satélite, búsqueda movió basada a tierra, navegación de barco, aproximación de aeronaves, detección de superficie de aeropuerto, clima desde aeronaves, teléfono móvil y mucho más. Clasificación de transmisores Para el propósito de licencia, los transmisores de radio están clasificados de acuerdo al ancho de bando, tipo de modulación y el tipo de información inteligente que llevan. Las clasificaciones de emisiones se identifican por un código de tres símbolos que contienen una combinación de letras y números, como se muestra en la tabla I-2. El primer símbolo es una letra que designa el tipo de modulación de la portadora principal (amplitud, frecuenta, fase, pulso o sin modulación). El segundo símbolo es un número que identifica el tipo de emisión (analógica, digital, eléctrica), y el tercer símbolo es otra letra que describe el tipo de información que está siendo transmitida (datos, teléfono, etcétera). Por ejemplo la designación A ∃ E describe una señal modulada en amplitud doble banda lateral y portadora completa llevando información telefónica (voz o música). Ancho de Banda y Capacidad de información Las dos limitaciones más significativas en el funcionamiento del sistema de comunicación son: el ruido y el ancho de banda. 12
- 13. El ancho de banda de un sistema de comunicaciones es la banda de paso mínima (rango de frecuencias) requerida para propagar la información de la fuente a través del sistema. El ancho de banda de un sistema de comunicaciones debe ser lo suficientemente grande (ancho) para pasar todas frecuencias significativas de información. La capacidad de información de un sistema de comunicación es una medida que cuanta información de la fuente puede transportarse por el sistema, en un periodo dado de tiempo. La cantidad de información que puede propagarse a través de un sistema de transmisión es una función del ancho de banda del sistema y el tiempo de transmisión. La relación entre el ancho de banda, tiempo de transmisión y capacidad de información fue desarrollada en 1920 por R. Hartley de los laboratorios telefónico Bell. De manera sencilla la ley de Hartley es: IαBxt En donde I = capacidad de información. B = ancho de banda (Hertz). t = tiempo de transmisión (segundo). La ecuación de Hartley muestra que la capacidad de información es una función lineal y directamente proporcional al ancho de banda del sistema y al tiempo de transmisión. Si se modifica el ancho de banda o el tiempo de transmisión, ocurrirá un cambio directamente proporcional en la capacidad de información. 13
- 14. Se requiere aproximadamente 3KHz de ancho de banda para transmitir señales telefónicas con calidad de voz. Se requiere más de 200KHz de ancho de banda, para la transmisión comercial musical de alta fidelidad. Se necesita casi 6MHz de ancho de banda para las señales de televisión con una calidad de radiodifusión. Es decir cuanto mayor sea la cantidad de información por unidad de tiempo, mayor será la cantidad del ancho de banda. Modos de transmisión Hay cuatro modos de transmisión: Simplex (SX) Los sistemas de comunicaciones electrónicas pueden de señalarse para mejorar la transmisión solamente en una dirección, en ambas direcciones pero solo uno a la vez, en ambas direcciones al mismo tiempo. Estas se llaman modos de transmisión. Simplex: Es cuando las transmisiones pueden ocurrir en una dirección, a este sistema se le llama también sistema de un sentido, solo para recibir o solo para transmitir. Half-duplex (HDX): Es cuando las transmisiones pueden ocurrir en ambas direcciones, pero no al mismo tiempo. A este sistema también se le llama sistema con alternativa de dos sentidos o cambio y fuera. 14
- 15. La ubicación puede ser un transmisor y un receptor, pero no los da al mismo tiempo. Los sistemas de radio de doble sentido que utilizan los botones oprima para hablar (PTT), para operar sus transmisores, como los radio de banda civil y de banda policial son ejemplo de transmisión half-duplex. Full Duplex (FDX): Es cuando las transmisiones pueden ocurrir en ambas direcciones al mismo tiempo. A este sistema también se le llama líneas simultáneas de doble sentido, duplex o de ambos sentidos. Una ubicación puede transmitir y recibir simultáneamente, sin embargo a la que está transmitiendo también debe ser la estación de la cual esta recibiendo. Un sistema telefónico estándar es un ejemplo de una transmisión Full Duplex. Full/Full-Duplex (F/FDX): Es cuando se transmite y recibe simultáneamente, pero no necesariamente entre las mismas ubicaciones (es decir, una estación y recibir de una tercera estación al mismo tiempo). Las transmisiones full/full-duplex se utilizan casi exclusivamente con circuitos de comunicaciones de datos. El servicio postal de Estados Unidos es un ejemplo de una operación full/full- duplex. Arreglos de circuitos Transmisor con dos hilos (cables). Transmisor a cuatro hilos (cables). Hibrido y supresores de eco. Los circuitos de comunicación electrónicos pueden configurarse de varias maneras. A estas configuraciones se les llama arreglos de circuitos que pueden incluir una transmisión de dos a cuatro hilos. 15
- 16. Transmisión con dos hilos (cables) La transmisión de dos hilos contiene dos cables (uno para la transmisión y uno para la referencia o tierra física). Estos circuitos son ideales para la transmisión simple aunque también puede usarse para la transmisión de half-duplex y full-duplex. Ejemplo: La línea telefónica entre la casa. La oficina telefónica más cercana. Estos son ejemplos de circuitos de dos hilos. Transmisor a cuatro hilos La transmisión a cuatro hilos contiene cuatro cables (dos; uno por cada dirección, uno de señal, y uno de tierra de referencia). Estos circuitos son ideales para la transmisión full-duplex. Un circuito de cuatro hilos equivale a dos circuitos de dos hilos, uno para cada dirección de transmisión. Los circuitos de cuatro hilos son menos ruidosos que los circuitos de dos hilos y proporciona más aislamiento entre las dos direcciones de transmisión cuando se utiliza una operación ya sea half-duplex o full-duplex. 16
- 17. Híbridos y Supresores de Eco Cuando un circuito de dos hilos se conecta a un circuito de cuatro hilos como en una llamada telefónica de larga distancia, un circuito de interfase llamado hibrido o conjunto terminante se utiliza para lograr el efecto de la interfase. El conjunto hibrido se usa para igualas impedancia y proporcionar aislamiento entre las dos direcciones del flujo de señales. En la figura 1-7 muestra el diagrama de bloque para una red hibrida de dos a cuatro hilos. La bobina hibrida compensa la variación de impedancia en la porción de dos hilos del circuito. Los amplificadores y atenuadores ajustan los voltajes de la señal a los niveles requeridos y los ecualizadores compensan los deterioros en la línea de transmisión que afectan la respuesta a la frecuencia de la señal transmitida, tal como la inducción de línea, capacitancia y resistencia. La señal que viaja de oeste a este entra al conjunto de transmisión desde la línea de dos hilos en donde se acopla inductivamente a la sección de transmisión oeste a este del circuito de cuatro hilos. Las señales recibidas de la línea son acopladas a la sección del receptor Este-Oeste (E-O) del circuito de cuatro hilos en donde se unen a los alambres centrales de la bobina hibridas. Si las impedancia de las línea de dos hilo y la red balanceada se acopla correctamente, las corrientes producidas en la mitad superior del hibrido por la señal E-O serán iguales en magnitud pero opuestas en polaridad. En la figura 1-18 muestra un diagrama de bloque simplificado de un supresor de eco. 17
- 18. El detecta la voz luego habilita el amplificador, luego deshabilita el amplificador en la dirección opuesta, por lo tanto previene que el eco regrese a las bocinas. Cada vez que el supresor de eco detecta la voz se activa para eliminar el eco existente en la comunicación. Estos sistemas se utilizan normalmente en compañías telefónicas. 18