Introducción a la Transmisión Digital y Conceptos Básicos.

Prof. Yusmary Cova

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAUNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA

“ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ

Departamento de Ingeniería ElectrónicaSección de Comunicaciones

Sumario Introducción a la comunicación digital• Señal analógico• Señal digital

Proceso de digitalización o conversión analógica-digital Técnicas de modulación uni-bit• Modulación por conmutación de amplitud (ASK) • Modulación por conmutación de frecuencia (FSK) • Modulación por conmutación de fase (PSK)

Técnicas de modulación multi-bit• Manipulación del desplazamiento cuaternario de

fase (QPSK)• Modulación de amplitud en cuadratura (QAM)

Sumario

Aspectos preliminares: Velocidad de transmisión, baudio, bits, ancho de banda de una señal, ancho de banda del canal, ancho de banda de Nyquist, capacidad del canal, relación señal/ruido, coeficiente de energía ruido, longitud de onda, limite de Shannon, multiplexión digital

Perturbación en la transmisión• Ruido • Distorsión de retardo • Atenuación y distorsión de atenuación

Codificación de datos

Señal AnalógicoSon aquellas que están representadas por funciones que pueden tomar un numero infinito de valores en cualquier intervalo de tiempo.Señal DigitalLa señal digital son aquellas que están representadas por funciones que pueden tomar un cierto número finito de valores en cualquier intervalo de tiempo.

Proceso de digitalización  o conversión analógica-digital

La digitalización o conversión analógica-digital:Consiste básicamente en realizar de forma periódica medidas de la amplitud de una señal, redondear sus valores a un conjunto finito de niveles preestablecidos de tensión (conocidos como niveles de cuantificación) y registrarlos como números enteros en cualquier tipo de memoria o soporte.

Xg(t) 1001011…

X(n) Xq(n)Muestreador Cuantificador Codificador

Conversor A/D

Señal analógica

Señal en tiempo discreto

Señal cuantificada

Señal digital

Muestreo: el muestreo consiste en tomar muestras periódicas de la amplitud de onda. La velocidad con que se toma esta muestra, es decir, el número de muestras por segundo, es lo que se conoce como frecuencia de muestreo.

Cuantificación: en el proceso de cuantificación se mide el nivel de voltaje de cada una de las muestras. Consiste en asignar un margen de valor de una señal analizada a un único nivel de salida.

Proceso de digitalización  o conversión analógica-digital

Codificación: la codificación consiste en traducir los valores obtenidos durante la cuantificación al código binario. Hay que tener presente que el código binario es el más utilizado, pero también existen otros tipos de códigos que también son utilizados.

Proceso de digitalización  o conversión analógica-digital

Las técnicas de modulación digital se caracterizan porque la portadora es una señal analógica y la modulante es una señal digital.

Técnicas de modulación digital

ASK FSK PSK nQAM nPSKQPSK

Se clasifican

en:

Técnicas de

modulación uni-bit

Técnicas de

modulación multi-bit

Técnicas de modulación digital

Técnicas de modulación digital

Modulación

Codificación B [Hz] Baudios

FSK Un bit ≥ fb fb

BPSK Un bit fb fb

QPSK Dibit fb/2 fb/2

8PSK Tribit fb/3 fb/3

8QAM Tribit fb/3 fb/3

16PSK Cuatribit fb/4 fb/4

16QAM Cuatribit fb/4 fb/4

Ancho de banda del canal

Ancho de banda de una señal

El ancho de banda de una canal de información no es mas que la diferencia entre la frecuencia máxima y mínima que pueden pasar por el canal.

El ancho de banda de una señal de información no es mas que la diferencia entre la frecuencia máxima y mínima contenidas en la información.

Ancho de Banda de Nyquist

Si se tiene un canal exento de ruido. En ese entorno, la limitación en la velocidad de los datos está impuesta simplemente por el ancho de banda de la señal. Nyquist formalizó esta limitación, afirmando que si la velocidad de transmisión de la señal es 2B, entonces una señal con frecuencia no superior a B es suficiente para transportar esta velocidad de transmisión de la señal.

C=2𝐵 log 2𝑀

C=6,64 𝐵 log 𝑀

La capacidad de información es una medida del número de símbolos independientes que pueden enviarse por un sistema de comunicaciones por unidad de tiempo.

Capacidad de información de un sistema de comunicación

Según la ley de Hartley, la capacidad de información esta dada por:

TxBI Donde:I: Es la capacidad del canal de información del sistemaB: Es el ancho de banda disponible (Hz)T: Línea de transmisión (s)

Limite de Shannon

Una relación mucho más útil que la que formuló Hartley, es el Limite de Shannon. Esto es en forma de ecuación:

Donde:I: Capacidad de información (bps)B: Ancho de banda (Hz).S/N: Relación señal a ruido (adimensional)

𝐼=𝐵 log 2(1+ 𝑆𝑁 )

𝐼=3,32𝐵 log10(1+ 𝑆𝑁 )

La longitud de onda de la señal es la distancia que ocupa un ciclo completo de la señal que viaja a una velocidad "v".

Longitud de onda

Donde:c: Constante de la velocidad de la luz (3*10^8 m/s)f: Frecuencia de la señal

𝜆=𝑐𝑓

Velocidad de transmisiónLa velocidad de transmisión es la relación entre la información transmitida a través de una red de comunicaciones y el tiempo empleado para ello.

BitRazón de Bits: es la razón de cambio en la entrada

del modulador y tiene como unidades bits por segundos (bps)

Razón de Baudio: es la razón de cambio en la salida del modulador.

Baudio

Se determina por:

Coeficiente energía a ruido

Donde: Eb = STb, S es la potencia de la señal y Tb es el tiempo necesario para enviar un bit.R=1/Tb. La velocidad de transmisión esk: es la constante de Boltzmann (1,380x10-23 J/°K)

𝐸𝑏

𝑁0

=𝑆𝑇 𝑏

𝑁 0

=𝑆 ( 1

𝑅 )𝑁0

= 𝑆𝑁 0𝑅

= 𝑆𝐾𝑇𝑅

Se puede expresar en dB:

Coeficiente energía a ruido

( 𝐸𝑏

𝑁0)𝑑𝐵

=𝑆𝑑𝑏𝑊−10 log𝑅−10 log 𝐾−10 log𝑇

( 𝐸𝑏

𝑁0)𝑑𝐵

=𝑆𝑑𝑏𝑊−10 log𝑅+228,6𝑑𝐵𝑊 −10 log𝑇

La multiplexión es la transmisión de información proveniente de varias fuentes, a través de un mismo medio de transmisión a diferentes destinos.

Multiplexión digital

Las perturbaciones en una transmisión de señales analógicas o digitales es inevitable, pues existen una serie de factores que afectan a la calidad de las señales transmitidas por lo que nunca serán iguales a las señales recibidas.

Las principales perturbaciones son:• Ruido•Distorsión de Retardo•Atenuación

Perturbaciones en la transmisión

Es un código utilizado en un sistema de comunicaciones para transmisión.

Los códigos en línea son frecuentemente usados para el transporte digital de datos. Estos códigos consisten en representar la señal digital transformando su amplitud respecto al tiempo.

Codificación digital de señales.

Los tipos de codificación digital más comunes son: No retorno a cero (NRZ). Bipolar-AMI. Pseudo-ternario. Manchester. B8ZS. HDB3.

Codificación digital de señales

Espectro de las codificaciones digitales

Actividad Complementaria.

De los siguientes texto, resolver los ejercicios planteados: Tomasi, capitulo 12

Preguntas: 2, 4, 6, 9, 11, 13, 16, 19, 21, 25

Problemas: 1, 2, 3, 4, 5, 8, 10, 16, 19, 21

Stanllings, capitulo 3

Cuestionario: 6, 7, 8, 9

Ejercicios: 11, 12, 13, 14, 15, 16, 18, 19, 21

GRACIAS POR SU ATENCIÓN

Modulación por Conmutación de Amplitud (ASK)

𝑆𝐴𝑆𝐾 (𝑡 )=√ 𝑃𝑠

2[1+𝑏 (𝑡 ) ]𝑆𝑒𝑛(𝑤𝑐𝑡)

Modulación por Conmutación de Frecuencia (FSK)

𝑆𝐴𝑆𝐾 (𝑡 )=√2𝑃𝑠cos (𝑤𝑐 𝑡+𝑏 (𝑡)Ω )

Modulación por Conmutación de Fase (PSK)

𝑆𝐴𝑆𝐾 (𝑡 )=𝐴 cos (𝑤𝑐𝑡+𝑏(𝑡))

Ejemplo de ancho de banda de una señal.

Ejemplo: La profundidad en el océano a la que se detectan las señales electromagnéticas generadas desde aeronaves crece con la longitud de onda. Por tanto, los militares encontraron que usando longitudes de onda muy grandes, correspondientes a 30 Hz, podrían comunicarse con cualquier submarino alrededor del mundo. La longitud de antena es deseable que sea del orden de la mitad de la longitud de onda. ¿Cuál debería ser la longitud típica de las antenas para operar a esas frecuencias?

Longitud de onda

𝜆=𝐶𝑓

=107𝑚

𝐿𝑎𝑛𝑡=𝜆2

=5000𝐾𝑚

Ejemplo de Razón de bitsSi se tienen símbolos de 4 bits cada uno y la velocidad de transmisión de un módem de 2.400 baudios/seg, ¿cual es la razón de bits a la entrada del modem?

2400 X 4 = 9.600 bits/seg = 9.600 bps

Ruido

El ruido es toda aquella señal que se inserta entre el emisor y el receptor de una señal dada. Hay diferentes tipos de ruido: ruido térmico debido a la agitación térmica de electrones dentro del conductor, ruido de intermodulación cuando distintas frecuencias comparten el mismo medio de transmisión

Distorsión de Retardo

Debido a que en medios guiados, la velocidad de propagación de una señal varía con la frecuencia, hay frecuencias que llegan antes que otras dentro de la misma señal y por tanto las diferentes componentes en frecuencia de la señal llegan en instantes diferentes al receptor.

Atenuación

La energía de una señal decae con la distancia, por lo que hay que asegurarse que llegue con la suficiente energía como para ser captada por la circuitería del receptor

Características. Dentro de los códigos NRZ se establece una

clasificación• NRZ-L (No se retorna a nivel cero). Se considera que

si el dato es un cero “0” este se representa con un nivel alto en cambio el uno “1” con un nivel bajo

• NRZ-I (No se retorna invertido). Si el bit de dato es un cero “0”, no hay transición al comienzo del intervalo y en cambio al enviar un uno “1” se produce una transición a nivel positivo o negativo.

Codificación digital NRZ.

Ejemplo de Codificación digital NRZ

010 01110

NRZ - L

NRZI+V

0

+V

0

Características:Espectro el espectro de esta señal no tiene componente

continua.Los “1” binarios se representan por medio de valores

alternadamente negativos y positivos. El “0” binario se representa con un nivel cero. Ejemplo:

Codificación digital Bipolar ó AMI

010 01110

Bipolar - AMI+V

0

-V

Codificación digital Pseudoternario.

Características:El término pseudoternario se refiere al uso de tres

niveles de señales codificadas para representar datos de dos niveles (binarios).

Los “0” binarios se representan por medio de valores alternadamente negativos y positivos. El “1” binario se representa con un nivel cero.

Espectro el espectro de esta señal no tiene componente continua.

Ejemplo Codificación digital Pseudoternario.

010 01110Pseudoternario

+V

0

-V

Codificación digital Manchester.

Características. Siempre hay transición a la mitad del bit. Dentro de la codificación Manchester se establece

una clasificación: Manchester: • 0= transición de alto a bajo.• 1= transición de bajo a alto.

Manchester diferencial:• 0=transición al principio del intervalo.• 1=no hay transición al principio del intervalo

Ejemplo de Codificación digital Manchester.

010 01110

Manchester

Manchester Diferencial

+V

-V

Codificación de datos

Codificación digital B8ZS.

Características:

Esta basado en bipolar- AMI, con las reglas:

• Si aparece un octeto con todos ceros y el último valor de tensión anterior a dicho octeto fue positivo, codificar dicho octeto con 0 0 0 + - 0 - +

• Si aparece un octeto con todos ceros y el último valor de tensión anterior a dicho octeto fue negativo, codificar dicho octeto como 0 0 0 - + 0 + -

B8ZS está basado en el antiguo método de codificación llamado Alternate Mark Inversion ( AMI).

Ejemplo Codificación digital B8ZS.

011 00000 11100

AMI

B8ZS

V VB B

B: señal bipolar valida.V: violación de código

Codificación digital HDB3

El código HDB3 es un buen ejemplo de las propiedades que debe reunir un código de línea para codificar en banda base:El espectro de frecuencias carece de componente

continua y su ancho de banda está optimizado.El sincronismo de bit se garantiza con la alternancia de

polaridad de los "unos", e insertando impulsos de sincronización en las secuencias de "ceros".

En HDB3 se denomina impulso a los estados eléctricos positivos o negativos, distintos de "cero". (0 voltios).

Codificación digital HDB3.

Regla de sustitución en HDB3

Ejemplo Codificación digital HDB3.

011 00000 11100

AMI

HDB3

B: señal bipolar valida.V: violación de código

V VB B