I.2. Sistemas de telecomunicación y sistemas de transmisión

Tema I. Introducción
I.1. CONCEPTOS BÁSICOS E HISTORIA
I.2. SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN Y
SISTEMAS DE TRANSMISIÓN
Teoría de la Comunicación, www.eps.uam.es/~tco
2º Ing. de Telecomunicación
Escuela Politécnica Superior, Universidad Autónoma de Madrid
Jorge A. Ruiz Cruz ([email protected], www.eps.uam.es/~jruiz)
TCO (2007-08)
Teoría de la Comunicación
1
J.A.R.C
ver. 0.b
I.2. SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN
Y SISTEMAS DE TRANSMISIÓN
I.2.1. Definiciones.
I.2.2. Clasificación de los sistemas de transmisión.
I.2.3. Parámetros de calidad y recursos de un sistema
de transmisión.
I.2.4. Tipos de canales y sus características.
I.2.5. Modelos matemáticos de canales.
I.2.6. Compartición de canal. Multiplexación de la
información.
TCO (2007-08)
J.A.R.C
I. Introducción.
2
ver. 0.b
I.2.1. Definiciones
¾ Sistema de Telecomunicación:
- “Conjunto de elementos que hacen posible la transferencia
de información entre puntos distantes”
- Subsistema de transmisión (enlaces)
- Subsistema de conmutación (nodos)
- Terminales
¾ Subsistema de Transmisión:
- “Conjunto de equipos (amplificadores, moduladores, codificadores,…),
facilidades (medios de transmisión) y recursos en espacio, tiempo,
frecuencia,… para el transporte de una señal desde un punto de acceso de
la red a otro”
TCO (2007-08)
I.2. Sistemas de Telecomunicación y Sistemas de Transmisión.
3
J.A.R.C
ver. 0.b
¾ Diagrama de bloques de un Sistema de Telecomunicación:
Fuente de
Inform.
Transmisor
Canal
Receptor
Perturbaciones
Destino
Sist. de Transmisión
¾ Fuente de información. Elemento que genera la información. Esta puede ser
analógica o digital, lo que condiciona el tipo de sistema de comunicación:
- Analógica: información a transmitir es una señal continua en el tiempo x(t).
Ej: voz (salida de un micrófono), temperatura (salida de un sensor)
- Digital: información consiste en símbolos perteneciente a un
alfabeto finito y se envía a intervalos de tiempo fijos. Ej: cada T
segundos se envía bien un 0 (0 voltios), bien un 1 (5 voltios).
x(t)
t
Señal enviada al canal
1
0
1
1
t
¾ Canal: Medio físico por el que se envía la información. Introducirá perturbaciones
en la señal de información.
TCO (2007-08)
J.A.R.C
I.2.1. Definiciones
4
ver. 0.b
¾ Transmisor: Elemento que prepara la información para ser enviada por
el canal. Adapta la señal a la forma requerida por el canal y le da la
potencia necesaria.
- Existen dos estrategias fundamentales: banda base y modulación de canal
¾ La transmisión en banda base consiste en enviar la señal de información
directamente al sistema de transmisión:
Perturbaciones (introducción de ruido, distorsión,..)
Fuente
Amplificación
transmisión
Transmisión
(atenuación)
Amplificación
recepción
x(t)
Filtrado
|H(f)| (canal)
(B=ancho de
banda=frecuencia
máxima de la señal de
información)
|X(f)|
t
0
f
B
Destino
I.2.1. Definiciones
TCO (2007-08)
5
J.A.R.C
ver. 0.b
¾ La transmisión con modulación consiste en trasladar las componentes
espectrales de la señal a frecuencias más altas:
x(t)
Canal
y(t)
cosωct
x(t)
cosωct
y(t)=x(t)cosωct
Portadora
|X(f)|
-fc
TCO (2007-08)
J.A.R.C
Portadora
t
0
I.2.1. Definiciones
|Y(f)|
fc
f
6
ver. 0.b
¾ Modulación: modificar alguna característica de una señal de tipo
sinusoidal de acuerdo a la señal de información. El espectro de la señal
resultante estará concentrado en torno a la frecuencia de la portadora. Se
realiza con alguno (o varios) de los siguientes objetivos:
- Adaptar la señal de información a la banda de frecuencias en las que el canal tiene
mejores características.
- Para multiplexar el canal entre varios usuarios (ej: multiplex en frecuencia FDMA).
- Para combatir el ruido e interferencias.
¾ Receptor. Elemento cuya función es recuperar la información con la
mayor fidelidad posible:
- Recuperar la información: si ha habido modulación, realizará la demodulación; en
caso contrario, se limitará a amplificar.
- Fidelidad: Rechazar (filtrar) todas las señales que no se correspondan con la deseada.
En analógico, estos significa que la señal recibida sea lo más parecida a la enviada. En
digital, que cuando se transmite un 1 (0), se reciba un 1 (0).
TCO (2007-08)
I.2.1. Definiciones
7
J.A.R.C
ver. 0.b
I.2.2. Clasificación de los
sistemas de transmisión
(F: Fuente; D:Destino)
¾ Clasificación Sist. Tx. de acuerdo a la direccionalidad:
- A) Duplex: existe intercambio de información en ambos
sentidos simultáneamente (Ej: telefonía convencional)
- B) SemiDuplex: ambos sentidos alternativamente
(Ej: radiocomunicaciones móviles, telex)
- C) Simplex: Sólo es posible en un sentido
(Ej: radiodifusión)
F1
D1
D2
F2
F1
D1
D2
F2
F
D
- D) Diplex: Transmisión simultánea de dos informaciones de distinta
naturaleza sobre una misma portadora (Ej: TV analógica, con imagen y
sonido sobre la misma portadora
TCO (2007-08)
J.A.R.C
I.2. Sistemas de Telecomunicación y Sistemas de Transmisión.
8
ver. 0.b
¾ Clasificación Sist. Tx. de acuerdo al soporte de la bidireccionalidad:
f
- A) Transmisión a 4
hilos:
f
F1
D1
D2
F2
f
f
F1
D1
f
- B) Transmisión a 4
hilos equivalente:
D2
F2
f
f
I.2.2. Clasificación de los sistemas de transmisión
TCO (2007-08)
9
J.A.R.C
ver. 0.b
¾ Clasificación Sist. Tx. de acuerdo al soporte de la bidireccionalidad (cont.):
F1
f
p3
p1
- C) Transmisión a 2 hilos:
p2
D2
D1
F2
f
f
- El circuito que “dirige” las señales se llama bobina híbrida:
p2
p2
p1
p3
p1
(no hay transferencia de
señal de 3 a 2 o de 1 a 3)
TCO (2007-08)
J.A.R.C
p3
I.2.2. Clasificación de los sistemas de transmisión
10
ver. 0.b
¾ Clasificación Sist. Tx. de acuerdo a la técnica de transmisión (analógica/digital):
- Características de la transmisión analógica:
* Todas los componentes de la red (líneas, terminaciones, conmutaciones)
contribuyen a la degradación de la señal
* Información y señalización deben transmitirse sin exceder los límites
específicos para distorsión (amplitud y retardo), ruido, diafonía, …
* Control poco flexible (limita la incorporación de servicios avanzados)
- Características de la transmisión digital: la idea clave es la regeneración de señal
(frente a los sistemas analógicos, donde la información puede tomar infinitos valores
y no hay posibilidad de regeneración)
Transmisión
Umbral de
decisión
Regeneración
La señal que se recibe ha sido
perturbada por un sistema con ancho de
banda finito y por ruido
TCO (2007-08)
I.2.2. Clasificación de los sistemas de transmisión.
11
J.A.R.C
ver. 0.b
¾ Ventajas de los sistemas digitales:
- Factores tecnológicos: Tecnología sencilla y uniforme (circuitería mucho más fiable,
flexible, fácil de utilizar) e independiente de la naturaleza u origen de la información.
- Factores sistémicos: soportan con el mismo formato una variedad muy grande de señales: audio,
vídeo, datos, telefonía, fax,…, lo que facilita el ajuste, control e integración de servicios.
- Factores económicos: Debido a los dos puntos anteriores se consigue economía de escala y
aprovechar la sinergia de la convergencia de la informática y las comunicaciones
- Permiten el acceso múltiple por división en el tiempo (TDMA), además del FDMA,
así como otros tipos de multiplexación más sofisticados (CDMA)
¾ Limitaciones de los sistemas digitales:
- Se requiere una perfecta sincronización de todo el sistema (control de retardos, circuitos
recuperadores de reloj,…)
- Normalmente ocupan un ancho de banda mayor que los sist. analógicos, aspecto que se soslaya
con compresión (p. ej. en la codificación de fuente) y modulaciones de alta eficiencia espectral
- Si la fuente de información es analógica, se requiere conversión A/D y D/A.
TCO (2007-08)
J.A.R.C
I.2.2. Clasificación de los sistemas de transmisión.
12
ver. 0.b
I.2.3. Parámetros de calidad y recursos
de un sistema de telecomunicación
¾ La medida de la calidad final de un sistema de comunicaciones depende
del tipo de información transmitida (analógica/digital)
Señal
recibida
¾ Calidad en sistemas analógicos: “semejanza” entre la
señal a la salida del receptor y la señal de información
original (fidelidad con la que se recibe la señal original)
- Si la única fuente de degradación es el ruido, la señal recibida
puede descomponerse en señal más ruido y definir calidad como:
=
Señal
deseada
(pot. S)
SNR=Signal to Noise Ratio=S/N= cociente
(normalm. se
entre la potencia de señal y potencia de ruido expresa en dB)
- Si además aparecen otros perturbaciones, se define
S/(N+D+I), donde S es la señal sin perturbaciones y N+D+I es
la suma de las potencias de Ruido, Distorsión e Interferencia, ...
TCO (2007-08)
+
I.2. Sistemas de Telecomunicación y Sistemas de Transmisión.
Ruido
(pot. N)
t
13
J.A.R.C
ver. 0.b
¾ Calidad en sistemas digitales: “semejanza” entre los bits decodificados
en el receptor y los bits enviados.
- Cuando la señal en los sistemas digitales se degrada, lo que ocurre es que el
receptor se equivoca cuando decide que símbolo se ha transmitido.
- El parámetro que define la calidad es la tasa de error de bit:
BER=Bit Error Rate=Probabilidad de error=Pe=cociente entre el número de
bits erróneos recibidos sobre el número total de bits transmitidos
¾ Un sistema de comunicaciones está diseñado en un contexto de numerosas
limitaciones: coste, consumo de energía, tecnologías disponibles, … Pero,
¿con que recursos se cuenta para garantizar la calidad?
¾ Dos recursos especialmente importantes, porque limitan las posibilidades
de implantar otros sistemas de comunicaciones son: ancho de banda y
potencia transmitida
TCO (2007-08)
J.A.R.C
I.2.3. Parámetros de calidad y recursos de un sist. de telecom.
14
ver. 0.b
¾ Recursos básicos de un sistema de Telecomunicación:
- Ancho de banda: relacionado con la máxima cantidad de información
que se puede transmitir con una calidad determinada por un canal dado
t
- Caso Analógico: Dado un grado
máximo de distorsión, el ancho de
banda limita la máxima velocidad
de cambio de la señal
Señales que ocupan más ancho de banda:
potencialmente pueden llevar más información
t
t
- Caso Digital: Ancho de banda
limita el número máximo
de bits transmitidos por segundo
- Potencia: a mayor potencia transmitida, mayor SNR y menor BER. En
contrapartida, el sistema resultante es mucho más caro (consume más y sobre todo
interfiere más a otros sistemas de comunicación)
TCO (2007-08)
I.2.3. Parámetros de calidad y recursos de un sist. de telecom.
15
J.A.R.C
ver. 0.b
- Ancho de banda en sistema de telecomunicación (cont.):
- Sistemas analógicos: las variaciones bruscas de la señal son suavizadas por
la anchura finita de la banda del canal
Canal
- Sistemas digitales: la banda del sistema limita la velocidad binaria del sistema
Canal
(de Burgos, Pérez,
Salazar, “Teoría de
la Comunicación”,
Publicaciones
ETSIT-UPM, 1999)
TCO (2007-08)
J.A.R.C
I.2.3. Parámetros de calidad y recursos de un sist. de telecom.
16
ver. 0.b
I.2.4. Tipos de Canales y sus características
¾ Canal: medio físico por el que se envía la información.
¾ El tipo de canal viene marcado fundamentalmente por la banda de frecuencia
empleada en la comunicación, que a su vez está estrechamente relacionada con el
tipo de servicio/aplicación del sistema.
¾ Hay dos grandes tipos: los medios guiados (“cables”), y los medios sin
hilos (propagación por onda radioeléctrica) (además, podrían considerarse
los enlaces en el mar y los medios de almacenamiento)
- requieren instalación y mantenimiento de línea
- A) Medios guiados
(cables):
- B) Medios sin hilos
(propagación de onda
radioeléctrica):
TCO (2007-08)
- La potencia se atenúa según exp(-2αd), donde α es una
constante que depende del medio guiado y d es la distancia
- Con poner las antenas es suficiente, pero la señal puede no
ser estable (condiciones atmosféricas, reflexiones,… )
- La potencia se atenúa según cte/d2,
I.2. Sistemas de Telecomunicación y Sistemas de Transmisión.
17
J.A.R.C
ver. 0.b
¾ A) Tipos de canales (medios) guiados:
- A.5) Fibras ópticas: no hay conductores, atenuación
muy baja, dieléctricos de decenas de micras de grosor.
Anchos de banda de GHz´s
- A.4) Guías de onda: un sólo
conductor. Muy alta potencia
Anchos de banda de
cientos de MHz
- A.3) Líneas planares: dos conductores
- A.2) Coaxial: dos conductores.
Anchos de banda de decenas de MHz
- A.1) Par trenzado: dos conductores.
Anchos de banda de cientos de KHz
(de J.G. Proakis, M. Salehi, “Communication systems
engineering”, 2nd ed., Prentice-Hall 2002
TCO (2007-08)
J.A.R.C
I.2.4. Tipos de Canales y sus características.
18
ver. 0.b
¾ B) Tipos de canales sin hilos (ondas radioeléctricas):
- B.1) Onda de superficie (ground wave) (300KHz-3MHz): onda que se propaga por
la superficie terrestre
* rango extendido entre 10KHz-10MHz
* largos alcances, gran estabilidad de señal
tierra
* suelo influye notablemente en la propagación
- B.2) Onda ionosférica (sky wave) (3MHz-30MHz): propagación por reflexión
en las capas ionizadas de la atmósfera
ionosfera
* por debajo de 3 MHz son absorbidas
y por encima de 30 MHz escapan
tierra
* largos alcances, señal inestable
TCO (2007-08)
I.2.4. Tipos de Canales y sus características.
19
J.A.R.C
ver. 0.b
¾ B) Tipos de canales sin hilos (ondas radioeléctricas) (cont.):
- B.3) Onda espacial (Light Of Sight, LOS)(>30MHz): la propagación se realiza a través
de las capas bajas de la atmósfera terrestre (troposfera). El enlace se produce por visión
directa entre transmisor y receptor, por lo que requiere antenas en torres altas para
cubrir distancias grandes. Submodos:
* Onda directa: enlaza transmisor con receptor
* Onda reflejada: conecta transmisor y receptor a través de
una reflexión en el terreno subyacente
* Onda multitrayecto: Ondas que alcanzan el receptor tras sufrir múltiples
reflexiones en las capas fronterizas entre estratos troposféricos. Pueden provocar
interferencias destructivas.
- B.4) Onda de dispersión troposférica: se basa en reflexiones debidas a
variaciones turbulentas de las constantes físicas de la troposfera
* variaciones del índice de refracción provocan reflexión dispersiva.
* Pérdidas muy elevadas y desvanecimientos profundos.
TCO (2007-08)
J.A.R.C
I.2.4. Tipos de Canales y sus características.
20
ver. 0.b
¾ Bandas de frecuencias en
comunicaciones sin hilos
(radiocomunicaciones) y sus
usos:
(de J.G. Proakis, M.
Salehi, “Communication
systems engineering”,
2nd ed., Prentice-Hall
2002
TCO (2007-08)
I.2.4. Tipos de Canales y sus características.
21
J.A.R.C
ver. 0.b
¾ Bandas de frecuencias en comunicaciones sin hilos (radiocomunicaciones ) y
sus usos (cont.):
Tabla de R. E. Ziemer,
W. H. Tranter,
“Principles of
Communications”, John
Wiley and Sons
TCO (2007-08)
J.A.R.C
I.2.4. Tipos de Canales y sus características.
22
ver. 0.b
¾ Bandas de frecuencias en comunicaciones y tecnología de circuitos asociadas:
1
KHz
10-100
MHz
Circuitos
integrados
digitales
(DSP)
Onda media
Circuitos
integrados
analógicos
VHF
Onda corta
1-30
GHz
1
THz
Cavidades
metálicas
Circuitos
ópticos
(láseres,
fibras)
Líneas de
transmisión
Microondas
UHF
Milimétricas
Longitud de onda
TCO (2007-08)
Ópticas
Frecuencia
I.2.4. Tipos de Canales y sus características.
23
J.A.R.C
ver. 0.b
I.2.5. Modelos matemáticos de canales
¾ ¿Por qué se habla de modelos de canales? Porque en sistemas de
telecomunicación es muy habitual considerar que los transmisores y receptores son
ideales y atribuir al canal los efectos indeseados (distorsión, ruido, etc...)
¾ A) Canal con ruido aditivo:
- Es el modelo más simple
que incluye perturbaciones
¾ B) Canal lineal e invariante
(LTI) con ruido aditivo:
- Es un modelo real de los canales vistos en las paginas anteriores
(cables, fibras, ondas radioeléctricas,…) en condiciones estacionarias,
en el que las perturbaciones se modelan como una señal de ruido
TCO (2007-08)
J.A.R.C
I.2. Sistemas de Telecomunicación y Sistemas de Transmisión.
24
ver. 0.b
¾ C) Canal lineal (sin la condición de invarianza temporal) con ruido aditivo:
- La relación entre y(t) y x(t) ya no se puede expresar en la frecuencia con una
simple multiplicación de sus espectros asociados
- Ej: Comunicaciones móviles
¾ D) Otros: con perturbaciones de otro tipo, interferencias,...
¾ En este curso se usará el modelo de canal lineal e invariante (LTI) con ruido
aditivo (modelo B), donde el ruido será un proceso estocástico estacionario y
ergódico de tipo blanco y gaussiano
TCO (2007-08)
I.2.5. Modelos matemáticos de canales.
25
J.A.R.C
ver. 0.b
I.2.6. Compartición de canal.
Multiplexación de la información.
¾ En casi todos los sistemas de telecomunicación suele cumplirse que un canal
tiene más capacidad que la requiere la transmisión de un único usuario.
- Ej: la señal de voz tiene ancho de banda de KHz´s y un
coaxial permite anchos de banda de MHz´s
¾ Por ello deben establecerse los mecanismos para que las comunicaciones de varios
usuarios puedan compartir un mismo canal, sin que interfieran unas con otras.
- Multiplexación por División en Frecuencia (FDM): distintos
usuarios usan frecuencias de emisión diferentes
Esquemas
típicos
- Multiplexación por División en Tiempo (TDM): los usuarios utilizan
el canal por turnos, durante un tiempo que se le asigna solo a el.
- Multiplexación por División de Código (CDM): la señal de cada usuario se marca
con un código, de modo que aunque estas señales compartan el canal (utilizando la
misma banda de frec. y transmit. simultán.), las comunicaciones pueden separarse.
TCO (2007-08)
J.A.R.C
I.2. Sistemas de Telecomunicación y Sistemas de Transmisión.
26
ver. 0.b
¾ Multiplexación por División en Frecuencia (FDM)
0
Tx1, f1
Rx1, f1
D1
F2
Tx2, f2
Rx2, f2
D2
f
Canal
f
FN
...
0
F1
...
0
f
TxN, fN
RxN, fN
DN
Espectro de la señal enviada al canal
...
f1
f2
Bandas de guarda
frecuencia
fN
- Ej clásico: radiodifusión
- Se hace tanto en sistemas analógicos como en digitales
TCO (2007-08)
I.2.6. Compartición de canal. Multiplexación de la información.
27
J.A.R.C
ver. 0.b
¾ Multiplexación por División en el Tiempo (TDM)
F1
D1
t
F2
D2
t
FN
...
Canal
...
t
DN
Sincronización
Forma de onda de la señal enviada al canal
tiempo
...
tiempo de guarda
- Ej: Red de área local (LAN)
- Suele estar asociado a sistemas digitales
TCO (2007-08)
J.A.R.C
I.2.6. Compartición de canal. Multiplexación de la información.
28
ver. 0.b