Sesión n° 19 com sat (1)

Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo – Ingeniería Electrónica
Sistemas de acceso múltiple

El acceso múltiple por división de tiempo (TDMA, de time-division multiple access) es el método principal de acceso múltiple que se usa
en la actualidad. Proporciona la forma más eficiente de transmitir portadoras moduladas digitalmente (PSK). El TDMA es un método de
multiplexado por división de tiempo que multiplexa portadoras moduladas digitalmente entre las estaciones terrestres participantes en
una red satelital, a través de un satélite transpondedor común. En el TDMA, cada estación terrestre transmite una ráfaga corta de una
portadora modulada digitalmente, durante una ranura precisa de tiempo dentro de una trama TDMA. La ráfaga de cada estación se
sincroniza de tal modo que llegue al satélite transpondedor en distinto momento

En consecuencia, sólo hay una portadora de estación terrestre presente en el transpondedor en cualquier momento, y se evita así una
colisión con la portadora de otra estación. El transpondedor es una repetidora de RF a RF que sólo recibe las transmisiones de la
estación terrestre, las amplifica y a continuación las retransmite en un haz de enlace de bajada, que reciben todas las estaciones
terrestres participantes. Cada estación terrestre recibe las ráfagas de todas las demás estaciones, y debe seleccionar entre ellas el
tráfico destinado a ella.

La figura muestra una trama TDMA básica. Las transmisiones de todas las estaciones terrestres se sincronizan a una ráfaga de
referencia. La figura muestra la ráfaga de referencia como transmisión separada, pero puede ser el preámbulo que antecede la
transmisión de datos de una estación de referencia. También puede haber más de una ráfaga de referencia para sincronización

La ráfaga de referencia contiene una secuencia de recuperación de portadora (CRS, de carrier recovery sequence), de la cual todas
las estaciones receptoras recuperan una portadora de frecuencia y fase coherentes para su demodulación por PSK. También se
incluye en la ráfaga de referencia una secuencia binaria para recuperación de sincronización de bits (BTR, de bit timing recovery), es
decir, para recuperación de reloj. Al final de cada ráfaga de referencia se transmite una palabra única (UW, de unique word). La
secuencia UW se usa para establecer una referencia precisa de tiempo que usa cada una de las estaciones terrestres para
sincronizar la transmisión de su ráfaga. La UW suele ser una cadena de 20 unos binarios sucesivos, terminada con un 0 binario. Cada
receptor de estación demodula e integra la secuencia UW. La fig. 19-8 muestra el resultado del proceso de integración. El integrador y
el detector de umbral se diseñan de tal modo que se alcance el voltaje de umbral exactamente cuando se integre el último bit de la
secuencia UW. De este modo se genera un pico de correlación en la salida del detector de umbral en el momento exacto en que
termina la secuencia UW.

Cada estación terrestre sincroniza la transmisión de su portadora con la ocurrencia del pico de correlación UW. Cada estación espera
distintas longitudes de tiempo para comenzar a transmitir. En consecuencia, no hay dos estaciones que transmitan su portadora al
mismo tiempo. Nótese el tiempo de protección (GT, de guard time) entre las transmisiones de estaciones sucesivas. Es análogo a una
banda de protección en un sistema multiplexado por división de frecuencia. Cada estación antecede con un preámbulo a la
transmisión de sus datos. El preámbulo es lógicamente equivalente a la ráfaga de referencia. Como se deben recibir las transmisiones
de cada estación por las demás estaciones, todas las estaciones deben recuperar la información de la portadora y del reloj, antes de
demodular los datos. Si se usa asignación por demanda, también se debe incluir un canal común de señalización en el preámbulo.

Las figuras 19-9 y 19-10 muestran respectivamente el diagrama de bloques y la secuencia de sincronización de la trama CEPT
primaria de multiplexado. CEPT es la Conferencia de Telecomunicaciones y Administraciones Postales Europeas (Conference of
European Postal and Telecommunications Administrations); establece muchas de las normas europeas de telecomunicaciones. El de
la figura es un formato de trama TDMA de uso común para sistemas satelitales digitales.
En esencia, el TDMA es un sistema de almacenar y enviar. Las estaciones terrestres sólo pueden transmitir durante su ranura
especificada de tiempo, aunque las señales de banda de voz que llegan sean continuas. En consecuencia, es necesario muestrear y
guardar las señales de banda de voz antes de transmitirlas.

La trama CEPT está formada por muestras de 8 bits codificadas en PCM, de 16 canales independientes de banda de voz. Cada canal
tiene un codec (codificadordecodificador) separado que muestrea las señales de banda de voz que llegan, con una frecuencia de 16 kHz,
y convierte las muestras en códigos binarios de 8 bits. Así, se producen 128 kbps transmitidos a una velocidad de 2.048 MHz, de cada
codec de canal de voz. Las 16 transmisiones de 128 kbps se multiplexan por división de tiempo en una subtrama que contiene una
muestra de 8 bits de cada uno de los 16 canales (128 bits) Sólo se requieren 62.5 us para acumular los 128 bits, a la velocidad de
transmisión de 2.048 Mbps. El formato CEPT de multiplexado especifica un tiempo de trama de 2 ms. En consecuencia, cada estación
terrestre sólo puede transmitir una vez cada 2 ms y, así, debe guardar las muestras codificadas por PCM.

Los 128 bits acumulados durante la primera muestra de canal de banda de voz se guardan en un registro, mientras se toma una
segunda muestra de cada canal y se convierte en otra subtrama de 128 bits. Esta secuencia de 128 bits se guarda en el registro
detrás de los primeros 128 bits. El proceso continúa durante 32 subtramas (32 62.5 us 2 ms). A los 2 ms se han tomado 32
muestras de 8 bits de cada uno de los 16 canales de banda de voz, acumulando un total de 4096 bits (32x8x16=4096). En ese
momento, los 4096 bits se transfieren a un registro de desplazamiento de salida, para su transmisión. Como toda la trama TDMA
dura 2 ms, y durante este periodo de 2 ms cada una de las estaciones terrestres participantes deben transmitir en momentos
distintos, las transmisiones individuales de cada estación se deben hacer en tiempos bastante menores.

En la trama CEPT se usa una frecuencia de transmisión de 120.832 Mbps. Esta velocidad es el quincuagésimo noveno múltiplo de
2.048 Mbps. En consecuencia, la transmisión real de los 4096 bits acumulados dura unos 33.9 us. En los receptores de estación
terrestre, los 4096 bits se guardan en un registro y se desplazan a una frecuencia de 2.048 Mbps. Como todas las frecuencias de
reloj (500 Hz, 16 kHz, 128 kHz, 2.048 MHz y 120.832 MHz) están sincronizadas, los códigos PCM se acumulan, guardan,
transmiten, reciben y decodifican en sincronía perfecta. Para los usuarios, parece que la transmisión de voz es un proceso continuo

El sistema TDMA tiene varias ventajas sobre el FDMA. La primera, y quizá la más importante, es que en el TDMA sólo existe la
portadora de una estación terrestre en el satélite transpondedor en cualquier momento, por lo que se reduce la distorsión por
intermodulación. En segundo lugar, en FDMA cada estación debe poder transmitir y recibir en una multitud de frecuencias de portadora,
para lograr funciones de acceso múltiple. En tercer lugar, el acceso TDMA se adapta mucho mejor a la transmisión de información digital
que el FDMA. Las señales digitales se aclimatan con más naturalidad para su almacenamiento, conversiones de frecuencia y
procesamiento en dominio del tiempo, comparadas con sus contrapartes analógicas. La desventaja principal del TDMA respecto a
FDMA, es que en el primero se requiere una sincronización precisa. Las transmisiones de cada estación terrestre se deben hacer
durante una ranura exacta de tiempo. También, en TDMA se deben lograr y mantener las sincronizaciones de bits y de tramas.

En el sistema FDMA, las estaciones terrestres se limitan a determinado ancho de banda dentro de un canal o sistema satelital, pero no
tienen restricción en cuanto al momento de transmitir. En TDMA, las transmisiones de una estación terrestre se restringen a una
ranura precisa de tiempo, pero no tienen restricción sobre la frecuencia o ancho de banda que pueden usar, dentro de una asignación
de sistema o canal satelital especificada. En el acceso múltiple por división de código (CDMA, de code-division multiple access) no hay
restricciones de tiempo ni de ancho de banda. Cada transmisor de estación terrestre puede transmitir cuando quiera, y puede usar
cualquiera de las bandas o todo el ancho de banda asignado a un sistema o canal satelital determinado

Como no hay limitación para el ancho de banda, a veces se llama acceso múltiple por dispersión de espectro al acceso CDMA; las
transmisiones se pueden repartir por todo el ancho de banda asignado. Las transmisiones se separan mediante técnicas de cifrado y
descifrado de envolvente. Esto es, las estaciones de cada estación terrestre se codifican con una palabra binaria única, llamada
código de pulso. Cada estación tiene su propio código de pulso. Para recibir la transmisión de determinada estación terrestre, otra
estación terrestre debe conocer el código de pulso de la primera.
La fig. 19-11 muestra el diagrama de bloques de un codificador y decodificador CDMA. En el codificador (fig. 19-11a), los datos de
entrada, que pueden ser señales de banda de voz codificadas por PCM, o datos digitales en bruto, se multiplica por un código de
pulso único. El código de producto modula en PSK una portadora de FI, que sufre una conversión elevadora hasta la RF de
transmisión

En el receptor (fig. 19-11b), la RF tiene conversión reductora hasta la FI. De la FI se recupera una portadora PSK coherente.
También, se adquiere y usa el código de pulso para sincronizar al generador de código de la estación receptora. Téngase en
cuenta que la estación receptora conoce el código de pulso, pero debe generar un código de pulso que esté sincronizado en el
tiempo con el código de recibir. El código sincrónico de pulso recuperado multiplica a la portadora PSK recuperada y genera una
señal modulada PSK que contiene la portadora PSK y el código de pulso. La señal recibida en FI que contiene el código de pulso,
la portadora PSK y la información de datos se compara con la señal de FI recibida, en el correlacionador. La función del
correlacionador es comparar las dos señales y recuperar los datos originales. En esencia, el correlacionador resta la portadora
PSK recuperada el código de pulso, de la portadora PSK recibida el código de pulso los datos. El resultado son los datos.

FIGURA 19-11 Acceso múltiple por división de código (CDMA):
(a) codificador

FIGURA 19-11 Acceso múltiple por división de código (CDMA):
(a) decodificador

La correlación se hace en las señales analógicas. La fig. 19-12 muestra cómo se hacen la codificación y la decodificación. En la fig.
19-12a se ve la correlación del código de pulso recibido en forma correcta. Un +1 indica una portadora en fase, y -1 indica portadora
fuera de fase. El código de pulso se multiplica por los datos, +1 o -1. El producto puede ser un código en fase, o uno desfasado 180°
respecto al código de pulso. En el receptor se compara el código sincrónico de pulso en el correlacionador, con los elementos de
señalización recibidos. Si las fases son iguales se produce un +1; si están desfasadas 180° se produce un -1. Se puede ver que si
todos los códigos de pulso recuperados se correlacionan favorablemente con el código de pulso que llega, la salida del
correlacionador será un -6, que es el caso cuando se recibe un 1 lógico. Si todos los códigos de pulso se correlacionan desfasados
180°, se genera un -6, que es el caso cuando se recibe un 0 lógico. El circuito de decisión de bit no es más que un detector de
umbral. Dependiendo de si se genera un +6 o un -6, el detector de umbral produce un 1 lógico o un 0 lógico, respectivamente

Como dice su nombre, el correlacionador busca una correlación (similaridad) entre la señal codificada que entra y el código
recuperado de pulso. Cuando se presenta una correlación, el circuito de decisión genera la condición lógica correspondiente. En el
CDMA, todas las estaciones terrestres del sistema pueden transmitir en la misma frecuencia al mismo tiempo. En consecuencia, un
receptor de estación terrestre puede estar recibiendo señales codificadas al mismo tiempo de más de un transmisor. Cuando sucede
así, el trabajo del correlacionador se vuelve bastante más difícil. Debe comparar el código de pulso recuperado con todo el espectro
recibido, separando de éste sólo el código de pulso del transmisor de la estación terrestre que se desea. En consecuencia, el código
de pulso de una estación terrestre no se debe correlacionar con los de las demás.

La fig. 19-12b muestra cómo se logra ese esquema de codificación. Si la mitad de los bits dentro de un código fueran iguales, y la
mitad fueran exactamente los contrarios, la resultante sería una correlación cruzada de cero, entre códigos de pulso. A este código se
le llama código ortogonal. Se puede ver en la fig. 19-12b que cuando se compara el código ortogonal con el original de pulso, no hay
correlación, es decir, la suma de la comparación es cero. En consecuencia, el código ortogonal, aunque se haya recibido en forma
simultánea con el código del pulso deseado, no tuvo efecto alguno sobre el proceso de correlación. Para este ejemplo, el código
ortogonal se recibe con sincronización exacta en el tiempo junto con el código de pulso deseado; eso no siempre sucede. Para
sistemas que no tienen transmisiones sincrónicas en el tiempo, se deben desarrollar códigos donde no haya correlación entre el
código de una estación y cualquier fase de código de otra estación

La diferencia principal entre los transmisores PSK de dispersión de espectro y otras clases de transmisores PSK es el modulador
adicional donde se multiplica la palabra de código por los datos que entran. Debido a la naturaleza pseudoaleatoria de la palabra de
código se le llama ruido pseudoaleatorio (PRN, de pseudorandom noise). Este ruido debe tener una propiedad de gran autocorrelación
(consigo mismo) y una propiedad de baja correlación con los códigos pseudoaleatorios de otros transmisores. La rapidez de palabras
de código (Rcw) debe ser mayor que la rapidez de datos que llegan (Rd) en varios órdenes de magnitud. Además, la rapidez del
código debe ser estadísticamente independiente de la señal de datos. Cuando se satisfacen esas dos condiciones, el espectro final de
señal de salida aumentará (se dispersará) en un factor llamado ganancia de procesamiento, que se expresa como sigue
donde G es la ganancia de procesamiento, y Rcw >> Rd.

Una señal de dispersión de espectro no se puede demodular con exactitud si el receptor no posee un circuito que se acople con el
generador de palabras de código en el transmisor. Tres de las técnicas más usadas para producir la función de dispersión son
secuencia directa, salto de frecuencia y una combinación de las anteriores, llamada híbrido de salto de frecuencia con secuencia
directa (DS/FH híbrido, de direct-sequence frequency hopping).

La dispersión de espectro por secuencia directa (DS-SS, de direct-sequence spread spectrum) se produce cuando una señal bipolar
modulada de datos se multiplica linealmente por la señal de dispersión en un modulador balanceado especial llamado correlacionador
de dispersión. La rapidez de código de dispersión es Rcw 1/Tc, donde Tc es la duración de un solo pulso bipolar (es decir, el pulso). Las
frecuencias de pulso son de 100 a 1000 veces mayores que los datos del mensaje y, en consecuencia, los tiempos de pulso son de 100
a 1000 veces menores que el tiempo de un solo bit de datos. Por lo anterior, el espectro de frecuencias de salida transmitida con
dispersión de espectro es de 100 a 1000 veces más ancho que el ancho de banda de la señal inicial modulada de datos PSK. El
diagrama de bloques de un sistema de dispersión de espectro por secuencia directa se ve en la fig. 19-13. Como allí se ve, la fuente de
datos modula en forma directa a la señal de portadora, que a continuación es modulada a su vez por la palabra en código de dispersión,
en el correlacionador de dispersión.

El salto de frecuencia es una forma de CDMA, donde se usa un código digital para cambiar la frecuencia de la portadora en forma
continua. Primero se modula la portadora con los datos del mensaje y a continuación se eleva su frecuencia con un oscilador local de
frecuencia sintetizada, cuya frecuencia de salida se determina mediante un código de ruido pseudoaleatorio de n bits, producido en un
generador de código de dispersión. En la fig. 19-14 se muestra el diagrama simplificado de bloques para un transmisor de espectro por
cambio de frecuencia.
En el salto de frecuencia, el ancho total disponible de banda se divide en bandas menores de frecuencia, y todo el tiempo de transmisión
se subdivide en ranuras menores de tiempo. Se trata de transmitir dentro de una banda limitada de frecuencias, sólo durante corto tiempo,
para después cambiar a otra banda de frecuencias, y así sucesivamente. Este proceso continúa en forma indefinida. La pauta de salto de
frecuencia se determina con un código binario de dispersión. Cada estación usa una secuencia distinta de código. En la fig. 19-15 se ve
una pauta típica de salto de frecuencia (es una matriz de frecuencia-tiempo).

En el salto de frecuencia, a cada estación de una red CDMA se le asigna una secuencia distinta de salto de frecuencia. Cada
transmisor conmuta (salta) de una banda de frecuencias a la siguiente, según su pauta asignada. En el salto de frecuencia, cada
estación usa todo el espectro de RF, pero nunca ocupa más que una parte pequeña de ese espectro en cualquier momento.
El esquema de modulación que se usa con más frecuencia con el salto de frecuencia es FSK. Cuando llega el turno de transmitir a
determinada estación, manda una de las dos frecuencias (marca o espacio) para la banda particular en la que esté transmitiendo. La
cantidad de estaciones en determinado sistema de salto de frecuencia está limitada por la cantidad de secuencias o pautas únicas de
salto que se puedan generar.

Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo – Ingeniería Electrónica
Comunicaciones Satelitales Mg. Ing. Danny Alonzo Santa Cruz Cueva

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