tema1: introduccion bibliografía: [hay94], [mill01] [schwe02]

TEMA1: INTRODUCCION
1. ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE COMUNICACIÓN
2. OBJETIVOS DE LA ASIGNATURA
3. BREVE REVISIÓN HISTÓRICA
4. ESTADO ACTUAL DE LAS COMUNICACIONES
5. TENDENCIAS EN LOS SISTEMAS DE COMUNICACIÓN
BIBLIOGRAFÍA: [HAY94], [MILL01] [SCHWE02]
TEMA1 : INTRODUCCION
1. ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE COMUNICACION
TRANSMISOR
CANAL DE
COMUNICACIÓN
RECEPTOR
Sistema de Comunicación
Transductor
de entrada
Transductor
de salida
El propósito de un sistema de comunicación es transportar información desde una
fuente a un destino o usuario.
Un modelo de sistema de comunicación básico consta de tres componentes:
(1) Transmisor ó Sistema de transmisión.
(2) Canal de comunicación.
(3) Receptor ó Sistema recepción.
El transductor de entrada convierte señales físicas de cualquier naturaleza en señales
eléctricas. (ej. micrófono) .
En el transmisor hay un proceso de adecuación de la señal eléctrica para que pueda pasar
por el canal de comunicación. Puede realizarse en un solo paso: modulación, o requerir otros
procesos adicionales: codificación, cuantización, etc. También incluye los dispositivos necesarios para emitir las señales (ej.antenas, LEDs,etc.).
Canales de comunicación: Pueden coincidir con un medio físico: cables de cobre, coaxiales, fibra óptica, atmósfera (enlaces de Radio), o estar formado por superposición de diferentes medios: canal telefónico o redes de comunicación.Hay muchos factores que pueden
influir todo el proceso de transporte de la información: distorsión, atenuación, retraso, ruido,
etc. Saber cuáles son estos factores en función del canal de comunicación utilizado y conocer
las distintas alternativas de modulación y procesado para poder limitar y atenuar en lo posible
su efecto es uno de los objetivos de esta asignatura.
En el receptor se recoge y procesa la señal recibida de forma contraria al emisor y se
obtiene la señal eléctrica de salida, que por último pasa al transductor (ej. un altavoz) y se
obtiene la reproducción de la información. Idealmente, se desea que contenga toda la información generada por la fuente.
Este sería un ejemplo de sistema de comunicación para enlazar sólo a dos usuarios:
(conexión punto a punto). No obstante, existen también otros tipos: Sistemas de radiodifusión,
con un solo emisor y muchos receptores o Redes de Comunicación donde muchos usuarios
interactuan conjuntamente: ordenadores, internet. Estudiar cuál es la problemática asociada a
estos otros sistemas y las técnicas de multiplexación y modulación adecuadas para sacar el
mayor rendimiento posible al canal de transmisión también se abordará en la asignatura.
2.OBJETIVOS
En esta asignatura se abordarán los fundamentos de teoría de la señal y modulación
como base para entender la problemática y las demandas planteadas por los actuales sistemas
y servicios de comunicación: Internet, ADSL, móviles, etc. Se estudiarán las características y
los efectos que los diferentes medios de transmisión: par trenzado, guias de onda, fibra óptica,
aire, etc. producen en la transmisión de la información. Se describirán los tipos de modulación tanto analógica como digital, estableciendo los criterios que permitan evaluar eficazmente su rendimiento: ancho de banda, inmunidad al ruido e interferencia, etc. Se plantearán
las diferentes arquitecturas de transmisores y receptores, así como la implementación electrónica de sus bloques. El papel que la Microelectrónica y la evolución tecnológica ha jugado
en el desarrollo de los actuales sistemas de comunicación también quedará recogido durante
el desarrollo de los temas.
Aunque el estudio de los sistemas de comunicación se hace a un nivel de abstracción de
diagramas de bloques, es también importante saber cómo se implementan dichos bloques a
nivel de circuitos electrónicos, ya que las distintas alternativas también pueden influir en la
posibilidad de integración y en reducir su coste y consumo de potencia, haciéndole viable o no
en función de la aplicación.
Estos objetivos se han plasmado en el siguiente Programa de la asignatura:
TEMA1: INTRODUCCIÓN
TEMA 2: REPRESENTACIÓN DE SEÑALES Y SISTEMAS.
TEMA 3: RUIDO y DISTORSIÓN EN SISTEMAS DE COMUNICACIÓN.
TEMA 4: MEDIOS DE TRANSMISIÓN Y CANALES DE COMUNICACIÓN.
TEMA 5: MODULACIÓN ANALÓGICA.
TEMA 6: MODULACIÓN DIGITAL.
Una descripción de los temas aparece en la guía de la asignatura.
3. BREVE REVISION HISTORICA
Año
Acontecimiento
1837
Telégrafo (Samuel Morse)
1864
Ecuaciones de Maxwell
1875
Invención teléfono (A. Bell)
1887
Ondas radio (H. Hertz)
1894
Telégrafo sin hilos (G. Marconi)
Año
Acontecimiento
1901
Primer mensaje transatlántico sin hilos (G. Marconi)
19041906
Diodo y triodo de vacío (J.A. Fleming y Lee de Forest)
1918
Receptor superheterodyno de radio (E.H. Amstrong)
1920
Primera emisora de radio (KDKA Pittsburgh)
1923
Invención de la televisión (V. Zworykin)
1933
Modulación en frecuencia FM (E.H.Amstrong)
1937
Modulación codificada en pulsos (PCM) (Alec Reeves)
1939
Primera emisión de TV (NBC)
1941
Inicio de la radiodifusión FM en USA
1948
Invención del transistor (Bell Labs)
1949
Teoría Matemática de la Comunicación (Shannon)
1957
Primer satélite (Sputnik)
1958
Primer Circuito Integrado (Kilby&Noyce)
1961
Dispositivos lásers (Bell Labs, IBM)
1962
Satélite Telstar (Bell Labs)
1969
Origen de Internet en USA
1970
Comienzo de investigación en HDTV en Japón
1977
Primer sistema de comunicación por fibra óptica
1980
Ethernet aceptado como standard para LANs
Inicio de RDSI (Redes Digitales de Servicios Integrados)
1981
Desarrollo del primer modem (D. Hayes)
1983
Redes para teléfonos celulares (móviles-1ª Generación)
1989
Nacimiento de World Wide Web (WWW)
1990
2ª Generación de teléfonos móviles
1991
Primera demostración de videoconferencia
1995
DBS (Direct Broadcast Satellite )
1996
Liberalización de Telecomunicaciones en USA
1998
Standards de HDTV en USA
1999
Comienzo de emisión digital de televisión (DTV)
ESTADO ACTUAL DE LAS COMUNICACIONES: REDES MULTIACCESO
Se quiere dar acceso a los usuarios de diferentes servicios: teléfono, TV, datos Internet,
videoconferencias, etc.
Se dispone de distintas opciones de cobertura, que dependen de la situación y del tipo de
servicio.
DIFERENTES MEDIOS DE ACCESO A LOS USUARIOS
REDES DE COMUNICACION UTILIZANDO FIBRA OPTICA y CABLE COAXIAL:
HFC (HYBRID FIBER _COAX )
RED DE COMUNICACIONES POR CABLE DE COBRE YA EXISTENTES PARA
LÍNEAS TELEFÓNICAS.
ADSL: LINEAL DIGITAL ASIMÉTRICA DE ABONADO
EJEMPLO DE VARIEDAD DE STANDARDS Y TÉCNICAS DE MODULACIÓN.
MÉTODOS Y VELOCIDADES DE ACCESO A INTERNET
MÉTODOS DE ACCESO
Máxima
velocidad
Tiempo de
Descarga
(fichero de 10Mb)
Módem telefónico (28.8Kb/s)
28.8 Kb/s
46 minutos
Módem telefónico (33.6Kb/s)
33.6 Kb/s
40 minutos
Módem telefónico (56.6Kb/s)
45 Kb/s
30 minutos
Módem ISDN
64 Kb/s
21 minutos
Módem ADSL
1.5 a 9 Mb/s
89 a 53 segundos
Módem Cable
10 a 30 Mb/s
2.7 a 9 segundos
REQUERIMIENTOS MÍNIMOS EN RECEPTORES "WIRELESS"
Propiedades
GSM
UMSUTRA
Bluetooth
Banda de Frecuencia (MHz)
935-960
2110-2170
2402-2480
Número de canales/Separación
(MHz)
124/0.2
12/5
79/1
Codificación de voz (Kb/s)
13.4
12.2
64.4
Velocidad de datos (kb/s)
9.6
2048
723.2
Sensibilidad (dBm)
-102
-117
-70
Ruido de Base, Nfloor (dBm)
-111
-99
-91
Máxima figura de Ruido, NF (dB)
9.8
9
23
Máximo nivel de entrada (dBm)
-15
-25
-20
IP3 referido a la antena (dBm)
-12.5
-6
-16
Rango Dinámico sin espúreos,
SFDR (dB)
68
68
50
ESPECTRO DE FRECUENCIA DE SISTEMAS "WIRELESS"
TENDENCIAS EN SISTEMAS DE COMUNICACION
Una de las necesidades actuales están centradas en poder dar acceso a la información:
audio, voz, datos, Internet,etc.al mayor número de usuarios posible y además de forma
cómoda y rápida. (Necesidad de Banda ancha y bajo consumo de potencia).
COMUNICACIONES SIN CABLE (WIRELESS)
1. TERCERA GENERACION DE MOVILES
Están desarrollados para añadir servicios de e-mail, acceso a Internet, videoconferencia,etc. a los actuales servicios de telefonía que dan los móviles actuales. Estos, llamados de
segunda generación estaban desarrollados usando técnicas de modulación digitales y tiene
menos problemas de interferencias y cobertura que los de primera generación, que utilizaban
procesamiento analógico. No obstante, al estar diseñados para resolver los problemas asociados a la transmisión de voz, (le afecta mucho los retrasos) y dado que la duración de las llamadas es corta, no están optimizados para los nuevos servicios de datos.
Estado actual: UMTS, que es la tecnología de 3G, ha retrasado su despliegue por diversos motivos de falta de acuerdo entre las distintos comités y suministradores, pero también por
motivos tecnológicos: necesidad de Circuitos Integrados de RF con bajo consumo de potencia, necesidad de un mayor número de memorias no-volátiles, necesidad de baterias con
menor peso y duración, etc., pero han aparecido los móviles de 2.5G que son un primer paso
en la evolución. Estos permiten mandar no sólo mensajes de texto (SMS) sino el Sistema de
mensajes Mejorados (EMS) que permite enviar imágenes, videos, melodías que se pueden
elegir de un repertorio almacenado en el aparato. Aunque la tecnología WAP de acceso a
internet ha fracasado puesto que necesita un lenguaje distinto del usual (HTML) utilizado en
dichas conexiones. En Japón ha aparecido el i-mode: Servicio Internet para móviles, que da
acceso a internet desde el móvil pero sólo con algunas funcionalidades para que pueda ser
compatible con un terminal que difiera poco de los actuales. Así, los servicios se focalizan en
el formato texto escrito en HTML, aunque también puede aceptar imágenes GIF.
Actualmente 3G ya ha comenzado a funcionar en algunas ciudades y se espera una
mayor cobertura para el próximo año. Además ya están anunciando una nueva tecnología
(HSDPA: High Speed Downlink Packet Access), que correspondería con la generación 3.5G y
que tendría un número mayor de aplicaciones, alcanzando 14Mbps para enlace descendente.
2. REDES LAN inalámbricas (WLAN)
Una red de área local inalámbrica permite la conexión de ordenadores sin ningún tipo de
cableado, sólo usando como medio de transmisión el aire. También proporcionan conectividad
y acceso a las tradicionales redes cableadas, como si de una extensión de éstas se tratara, pero
con la flexibilidad y movilidad que ofrecen las comunicaciones inalámbricas.
- Wireless-Fidelity: (Wi-Fi)
La norma más utilizada es IEEE 802.11b (Wi-Fi): 11Mb/s en banda de los 2.4GHz),
aunque se están desarrollando otras versiones para lograr mayor velocidad y alcance: La tecnología WiMax. (Hay diversas propuestas en la banda de 2.4 ó 5GHz)
Su fácil instalación y el ahorro de cableado, la hacen idóneas para muchas situaciones y
la tendencia es a un uso cada vez mayor. Wi-Fi ha puesto de moda las antenas u hotspots que
conectadas a una red ADSL, permiten navegar por Internet sin hilos a cientos de consumi-
dores en un entorno de 100m. Así una antena puede dar cobertura a una red de usuarios de una
comunidad, y varias antenas a un pueblo, ciudad, etc.
La Universidad de Sevilla tiene una red inalámbrica: REINUS que permite conexión
inalámbrica en prácticamente todos los campus universitarios.
Un problema que presentan este tipo de redes es el de su seguridad. Es decir, es más
difícil evitar que entren usuarios no deseados en una red inalámbrica que en una red cableada.
Por otra parte, hay ya algunas voces que opinan que el uso de bandas de frecuencias que no
necesitan licencias, pueden dar problemas a la larga cuando el número de usuarios crezca, y
que las operadoras, que son las que controlan el acceso a internet, no permitirán el acceso con
la facilidad y bajo precio que lo están haciendo actualmente.
- ULTRAWIDEBAND (UWB):
Una nueva tecnología que emplea ráfagas de potencia mil veces menores que las de un
teléfono móvil con duración de picosegundos. Es más inmune a las interferencia multitrayecto
por su corta duración. Puede transmitir una gran cantidad de información, pero necesita
anchos de banda muy grandes. No obstante puede ser una competencia a Wi-Fi pues puede
solucionar problemas de precisión y seguridad. También puede tener aplicaciones en sistemas
que necesiten muy baja potencia. Por ejemplo en redes de sensores autónomos (wireless sensor networks).
-3. REDES WPAN: Wireless Personal Area Network (IEEE 802.15)
Intercambio inalámbrico de datos entre distintos aparatos en ámbito de uso personal o
doméstico: un móvil y su auricular, un móvil y un ordenador, enlace entre ordenadores, etc.
Compiten diversos estándar entre los que destacan:
- BLUETOOTH
Este standar recibe el nombre de un rey vikingo. Tiene una velocidad de 1Mb/s y un
alcance que puede llegar a 100m con un amplificador. Cuando se han desarrollado sus especificaciones (modulación, número de canales, velocidad de transmisión, etc.), se ha tenido en
cuenta que todo el diseño sea compatible con una implementación en un sólo chip y en tecnología CMOS. Esto ha hecho que todo el proceso se haya desarrollado muy rápidamente y ya
existan diversos módulos comerciales.
- ZigBee
Es una tecnología desarrollada para ser más simple y barata que la anterior. Tiene menor
velocidad y alcance (250Kb/s y 70m), pero el énfasis es su bajo consumo de potencia para
aplicaciones donde sea difícil la recarga de las baterías (aplicaciones de sensado remoto,
implantes médicos, etc.)
4. COMUNICACIONES POR SATELITE:
Utilización de satélites no sólo en órbitas geoestacionarias (GEO: Situados a 36 Km de
la superficie terrestre y se necesitan 3 para dar una cobertura total), sino también en órbitas de
menor altura (LEO) que dan aplicaciones de carácter más local (gestión de empresas, tráfico,
localización:GPS, Galileo, etc.).
Aparecen nuevas aplicaciones e investigación en redes de satélites para dar cobertura a
la telefonía móvil y así utilizar menor número de antenas terrestre.
COMUNICACIONES POR CABLE
1. FIBRAS OPTICAS:
Dado que la instalación de la fibra es cara, puede que no sea rentable su instalación en
algunos lugares para dar acceso al hogar de los servicios de datos.
En redes troncales de fibra, necesidades cada vez superiores: Capacidades de Terabits/s
en cientos de Kms.
Estado actual: Investigaciones en fibras que permiten 100 millones de llamadas de voz o
640000 enlaces Internet ADSL de alta velocidad. Son experimentos en bandas C y L abiertas
a la utilización de Amplificadores de fibra dopada de Erbio que amplifican el espectro entero
de interés. Actualmente, lo que se utlizan son repetidores que regeneran los pulsos, no los
amplifican. Permiten transmisiones más largas, pero son más caros porque tienen que separar
cada canal antes de regenerarlo.
2. POR CABLE TELEFONICO:
La tecnología ADSL (Asymmetrical Digital Subscriber Line ) está ya siendo comercializada por distintas compañias telefónicas , aunque puede o no ser utilizada dependendiendo de
la conexión que tenga el usuario a la Central. (bucles de abonados ).
VDSL: Línea Digital de Abonado de Muy Alta Velocidad (sucesora de ADSL). Podría
transportar datos a velocidades hasta de 50Mbit/s, de cinco a diez veces superior a ADSL.
Además se puede instalar de forma simétrica o asimétrica, es decir con igual o diferente
velocidad para comunicación del usuario a la Central. Uno de sus principales objetivos es satisfacer las demandas de video ofreciendo una calidad superior al transmitido por radiodifusión.
Estado actual: No definido el standar, ni el tipo de modulación a emplear.
Desventajas: Requiere convertidores A/D de muy alta velocidad en sus módems.
Para que alcance su máxima velocidad, los bucles de abonado deben ser muy
cortos (300m.) En bucles de 1.5Km sólo se conseguirían 13Mbit/s.
3. POR CABLES DE LA RED ELECTRICA: (Power Line Communications)
Las líneas de red eléctrica también pueden utilizarse para transferir información. De
hecho ya hace tiempo que se utilizan para realizar medidas de los contadores. ¿por qué no para
transmitir servicios de datos?. En la actualidad, se están desarrollando módems que permitirán
las mismas funcionalidades que los de ADSL.
Las compañías eléctricas tienen que dar su aprobación y todavia faltan estudios para ver
la influencia del canal en la transmisión, ya que las señales que hay en el tendido eléctrico
pueden tener picos muy altos debidos a las distintas cargas en la red.
4. HIBRIDO FIBRA COAXIAL (HFC)
En USA donde la TV por cable estaba muy extendida, los operadores están adaptando
sus redes y decodificadores de forma que no sólo suministren servicios de vídeo. Esto requiere
que por una parte tienen que dar entrada a proveedores externos (ej. Internet) y por otra parte
deben permitir la transmisión del usuario a la central.
En España, los operadores de cable han sufrido distintos fracasos y reconversiones, de
forma que, hasta ahora no han conseguido de la infraestructura necesaria para dar una cobertura real a muchos usuarios.
TENDENCIAS EN RECEPTORES DE RADIO (TRANSCEIVERS)
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