conceptos básicos de comunicación ruben dario cardenas e

SISTEMAS ELECTRONICOS DE COMUNICACIÓN

CONCEPTOS BÁSICOS

RUBEN DARIO CARDENAS ESPINOSA

DSc. PhD. Ingeniero Electrónico

INSTRUCTOR

- Comunicaciones

Comunicación: proceso de transmisión y recepción de ideas, información y mensajes Transmisión: envío de señales desde un lugar a otro a través de un medio apto de desplazamiento.

Elementos Básicos de las Comunicaciones

Sistema de Codificación de Mensajes

Protocolo de Comunicación

Emisor

Receptor

Canal

Elementos Básicos de las Comunicaciones

Sistema de Codificación de Mensajes

Protocolo de Comunicación

Emisor Receptor

Canal

Codifica Decodifica

Modula Demodula

Elementos Básicos de las Comunicaciones

Sistema que:

• codifica un mensaje mediante un sistema de codificación predefinido

• modula (transforma) el mensaje en una señal apta para ser transmitida

• transmite el mensaje a un canal en forma de señales

EMISOR

Elementos Básicos de las Comunicaciones

CANAL

• Vía de comunicación que contempla los aspectos:

• Físico: dedicado a la generación, transmisión y detección de señales codificadas con información, buscando: Velocidad y Calidad: aptitud de reconocer señales sin error

• Lógico (o de información): dedicado a la forma de codificar información en las señales

Los canales se encuentran expuestos a la entropía.

Entropía: Término tomado prestado de la termodinámica para designar intuitivamente el grado de

‘desorden’ en un sistema de comunicaciones (ruido, interferencia)

Elementos Básicos de las Comunicaciones

Sistema que

–detecta señales en el canal

–demodula (transforma la señal recibida en mensaje)

–decodifica

RECEPTOR

Elementos Básicos de las Comunicaciones

Compuesto por

– conjunto de símbolos

– conjunto de reglas sintácticas

– conjunto de reglas semánticas

para generar mensajes. En sistemas de telecomunicaciones este tema es tratado por la Teoría Matemática de la Información.

SISTEMA DE CODIFICACIÓN DE MENSAJES

Elementos Básicos de las Comunicaciones

• Son conjuntos de normas para el intercambio de información, consensuadas por las partes comunicantes.

• Hay protocolos de muy diversos tipos

– asegurar que el orden de los paquetes recibidos concuerde con el de emisión.

– a garantizar que los datos enviados por una computadora se visualicen correctamente en el equipo receptor.

PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN

Proceso de Comunicación

1. establecer un canal

2. establecer comunicación

3. transmitir señales

4. verificar que haya sido recibido

5. finalizar la transmisión

6. cortar el canal

Organismos de Estandarización

• EIA/TIA: Asociación de Industrias Electrónicas y Asociación de la Industria de Telecomunicaciones.

• IEEE: Instituto de Ingenieros Electricistas y Electrónicos.

• FCC: Comisión Federal de Comunicaciones.

• ITU: Unión Internacional de Telecomunicaciones.

Sistemas de Telecomunicaciones

• Enlaces: Analógicos y Digitales

• Canales: – Tipos: Materiales e Inmateriales – Administración: Directo y Conmutado – Operación: Simplex, Half Duplex y Full Duplex

• Transmisión:

– Modos: Sincrónico y Asincrónico – Tecnologías:

CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS

Tipos de Enlaces

Conexión real entre dos nodos en una red

• Analógico (continuo): Sistema que detecta midiendo los distintos valores de los estados que adopta sistema emisor; y los transmite en forma continua y análoga en cada instante de tiempo.

• Digital (discreto): Sistema que detecta los distintos valores medidos de los estados que adopta el sistema emisor; los codifica en forma de números discretos y transmite estos códigos.

Tipos de Canales

• Materiales: Propagación de señales eléctricas por conductores o cables de Plata, Oro, Cobre; o señales lumínicas como la fibra de vidrio o fibra plástica.

• Inmateriales: Radiación electromagnética de ondas producidas por la oscilación o la aceleración de cargas eléctricas (radio frecuencias RF)

Administración de Canales

• Directo: Se establece contacto directo entre dos corresponsales en forma permanente.

• Conmutado: Se establece contacto a través de un conmutador que se encarga de vincular dos corresponsales en forma transitoria. – Por Circuito o Línea (Teléfono)

– Por Mensaje (Telex)

– Por Paquete (Datos) (ATM - Frame Relay)

Operación de Canales

Duplex

Simplex

Full-Duplex

Sentido de la circulación de los mensajes

Half-Duplex

TIPOS DE TRANSMISIÓN

Transmisión Simplex

En un solo sentido. siempre existen un nodo emisor y un

nodo receptor que no cambian sus funciones.

Tipos de Transmisión

Transmisión Half-Duplex

Se produce en ambos sentidos pero NO alternativamente,

en un solo sentido a la vez. Si se está recibiendo datos no

se puede transmitir.

Tipos de Transmisión

Transmisión Full-Duplex

Se produce en ambos sentidos al mismo tiempo. un extremo

que esta recibiendo datos puede al mismo tiempo, estar

transmitiendo otros datos.

Modos de Transmisión

• Sincrónico: El emisor y el receptor disponen de una misma referencia de tiempo para depositar y recolectar la información. Las señales que no se tomen a tiempo se pierden. Se utilizan para transmitir gran cantidad de información a alta velocidad. Existen de dos formas:

– Serial: el canal está compuesto de un solo hilo, por donde se canaliza en forma secuencial las series de bits que conforman un byte.

– Paralelo: el canal está compuesto por varios hilos, pudiendo ser de 8 bits, 16, 32, etc.

• Asincrónico: No existe referencia común de tiempo entre el emisor y el receptor. Se los utiliza para transmisiones de caudal reducido e irregular.

Tecnologías de Transmisión

• Analógicos – Modulación de Amplitud (AM)

– Modulación de Frecuencia (FM)

– Modulación de Fase (PM)

– Banda Ancha (DSL)

• Digitales – Banda Base (Video Compuesto)

Radiación Electromagnética

• La circulación de cargas eléctricas por un conductor, genera alrededor del mismo una radiación magnética que se propaga por el aire.

• Una radiación magnética que incide en un conductor, induce en este una circulación de cargas eléctricas.

Ondas Electromagnética

Forma con la que la radiación electromagnética (energía) se propaga por el espacio.

• Amplitud (A): Desplazamiento máximo de un punto respecto de la posición de equilibrio (punto en el que la onda pasa de positiva a negativa y viceversa.

• Longitud de onda (λ): Distancia entre dos puntos análogos consecutivos. Se mide en metros (m).

• Frecuencia (f): Número de ciclos o vibraciones por unidad de tiempo. Se mide en hercios (Hz).

• Período (T): Tiempo invertido en efectuar un ciclo o vibración completa. Se mide en segundos (seg).

• Velocidad (v): Velocidad con que se propaga la onda.

Espectro de Radio Frecuencia (RF)

Según la longitud de onda, la radiación electromagnética recibe diferentes nombres.

Conjunto de ondas electromagnéticas que se propagan de forma ondulatoria a velocidad constante de 300.000 km/s.

Sistema de Transmisión de RF

EMISOR

Modulador

An

ten

a

Oscilador

Transmisor

Radio Frecuencia

portadora

Señal Modulada

Información

RECEPTOR

Demodulador

An

ten

a

Sintonizador

Señal Modulada

Información

Onda Portadora

• Señal, generalmente de forma senoidal, que es modulada (transformada) por otra señal de información que se quiere transmitir.

• Es de una frecuencia mucho más alta que la de la señal a modular

Modulación por Amplitud (AM)

Modulación por Frecuencia (FM)

Modulación por Fase (PM)

Animación de Modulación

VALOR EFICAZ FUNCIÓN SENOIDAL

VALOR EFICAZ DE UNA FUNCIÓN PERIÓDICA

)cos()( tVtv m

T

eficaz dttfT

f

0

2)(1

)(tf

t

0 2 4 6 8

-10

-5

0

5

10

)(tv

t

T

2

meficaz

VVV

También denominado valor RMS

mV

FASORES

Una función sinusoidal del tiempo de una frecuencia determinada se caracteriza

únicamente con dos parámetros, su amplitud y su ángulo de fase.

La representación compleja de dicha función (de una frecuencia

determinada) se caracteriza también con esos dos mismos

parámetros.

)( Re tjm eV

El fasor es una representación compleja abreviada en la que, una

vez establecida la frecuencia, se omite ésta representando la

función sinusoidal por el VALOR EFICAZ de la misma y su

ÁNGULO DE FASE:

/VFORMA POLAR jeV FORMA COMPLEJA

Fórmula de Euler sencos je j

tVm cosLa función se puede representar como

VALOR EFICAZ

Re

Im

Los fasores pueden interpretarse como vectores rotatorios que

giran con frecuencia angular en sentido contrario a las

agujas del reloj.

1V

2V

atRe

Im 1V

2V

bt

La relación de fases entre ellos permanece invariable

FASORES

Fasores representados en t = 0

0 2 4 6 8

-10

-5

0

5

10

0 2 4 6 8

-10

-5

0

5

10

0 2 4 6 8

-10

-5

0

5

10

º0/

0

2

10

2

10

jj eeV

)cos( tVm 0 10 mV

jeeV jj

2

10

2

10 2/

2/ 10 mV

Re

Im

º90/2

10

º0/2

10

FASORES (EJEMPLO)

Re

Im

jeZZ

2/ jeZ

Zj

Multiplicar Z por j equivale

a ADELANTAR /2 su fase

Dividir Z entre j equivale a

RETRASAR /2 su fase

SON VÁLIDAS LAS MISMAS OPERACIONES DEFINIDAS EN EL

ÁLGEBRA DE NÚMEROS COMPLEJOS

Re

Im

1Z

2Z

2

2

1

Z

Z

22

Multiplicación: multiplicar

módulos, sumar fases

División: dividir módulos,

restar fases

OPERACIONES CON FASORES

Derivación de funciones sinusoidales

0 2 4 6 8 10 12 14

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

2cossen

)( tt

dt

tdv

ttv cos)(

0 2 4 6 8 10 12 14

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

v(t)

t 0 2 4 6 8 10 12 14

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

Re

Im

V

jV

Derivar v(t)

equivale a

MULTIPLICAR

por el fasor V y

ADELANTAR /2

su fase (Representación gráfica suponiendo por

simplicidad =1. Unidades arbitrarias)

OPERACIONES CON FASORES

Integración de funciones sinusoidales

0 2 4 6 8 10 12 14

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

2cos

1sen

1)(

ttdttv

ttv cos)(

v(t)

t 0 2 4 6 8 10 12 14

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

V/j

Integrar v(t) equivale

a DIVIDIR por el

fasor V y ATRASAR

/2 su fase

(Representación gráfica suponiendo por

simplicidad =1. Unidades arbitrarias)

0 2 4 6 8 10 12 14

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

Re

Im

V

OPERACIONES CON FASORES

Representación compleja

(función del tiempo)

)cos()( tVtv m

0 )(tv

jm eV

V

2/

ttt

= 0

> 0

ADELANTA

< 0

ATRASA

)(0 tv

t

)( Re)( tjm eVtv

Representación fasorial

(función de frecuencia dada)

//

2

mVV

FUENTES DE VOLTAJE SINUSOIDALES

Re

Im

jm eV

V 2

las representaciones...

...contienen la misma información que

Si la frecuencia es conocida...

tt

)(0 tv

t

tt

)(tv

t

Vm Vm

Re

Im

jm eV

V 2

FUENTES DE VOLTAJE SINUSOIDALES

Condensador (capacidad C).

Su impedancia compleja es

CjXjZ CC

1

Donde XC es la reactancia

capacitiva, se expresa en

Bobina ideal (inductancia L).

Su impedancia compleja es

jLXjZ LL

Donde XL es la reactancia

inductiva, se expresa en

Resistencia óhmica

Número real

(R, medida en )

0

Fuente de tensión alterna ideal.

Representada por el fasor

jm eV

V 2

Relación entre frecuencia f

y pulsación: f 2

ELEMENTOS DE UN CIRCUITO

Si Im adopta el máximo valor cuando LC

10 ... también Ieficaz es máxima

R

XX

R

CL

CL

00

1

tg

222

00

2 1 CL

mmm

XXR

V

CLR

VI

A la frecuencia a la que XL = XC

Im adopta el máximo

valor posible

0

00

1

CL Pulsación de resonancia

LC

10

RESONANCIA CIRCUITO SERIE

22 1

CLR

VI

eficazeficaz

EJEMPLO:

Circuito RCL serie con L = 1 H,

C = 100 F y Veficaz = 5 mV.

rad/s 100101

11

40

LC

90 92 94 96 98 100 102 104 106 108 110

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

I efic

az (

mA

)

0 (rad/s)

2R

5R

10R

A medida que disminuye el valor de la

resistencia el pico de resonancia se hace más

agudo

Factor de calidad

R

LQ 00

RESONANCIA CIRCUITO SERIE

)()()( titvtp

tVtv m cos)(

)cos()( tIti m

)cos(cos)( ttIVtp mm )2cos(cos2

1 tIV mm

Potencia promedio: El valor promedio de )2cos( t es nulo.

Factor de potencia

coscos2

1eficazeficazmmpromedio IVIVP

Z

Rcos ZIV eficazeficaz

POTENCIA EN CORRIENTE ALTERNA

TRIÁNGULO DE POTENCIAS

Z

Rcos

/I

º0/V

*IVS */º0/ IV

Z/ 0

/º0/ IV

cosRe eficazeficaz IVPS

sencos jIVS eficazeficaz

Potencia activa (W)

Potencia aparente (V·A)

ZIIVS eficazeficazeficaz 2

Potencia reactiva (VAR)

senIm eficazeficaz IVQS

SIm

SRe

S

POTENCIA EN CORRIENTE ALTERNA

Un transformador es un conjunto de bobinados que comparten el mismo flujo

magnético.

El paso de AC por uno de ellos produce en cambio de flujo magnético, el cual a su vez

origina un cambio de voltaje en el resto.

V1 V2

N1 N2

Para mantener el campo magnético

confinado en los bobinados, éstos se

arrollan sobre un núcleo ferromagnético

dt

dNV

11

dt

dNV

22

2

1

2

1

N

N

V

V

Usando una relación apropiada puede elevarse o disminuirse el voltaje

2

1

N

N

TRANSFORMADORES

V1 V2

I1

I1

I2

I2

cos VIPOTENCIA

2211 VIVI

A diferencias de potencial bajas corresponden altas intensidades, y viceversa

Para el transporte de corriente conviene que la intensidad sea lo más baja posible

(disminución de pérdidas por efecto Joule)

TRANSFORMADORES

Joseph A. Edminister. Circuitos eléctricos. Teoría y 391 problemas resueltos

(2ª edición). Serie Schaum. Editorial McGraw-Hill.

William H. Hayt, Jr y Jack E. Kemmerly. Análisis de circuitos en ingeniería.

Editorial McGraw-Hill.

BIBLIOGRAFIA