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Comunicaciones por Satélite (5º curso)Dpto. de Señales, Sistemas y Radiocomunicaciones

ETSI de Telecomunicación.Universidad Politécnica de Madrid

Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo

CSAT 1

Comunicaciones por SatComunicaciones por SatééliteliteCurso 2008Curso 2008--0909


Comunicaciones analComunicaciones analóógicasgicas

Miguel Calvo RamónRamón Martínez Rodríguez-Osorio

CSAT 2Comunicaciones por Satélite. Curso 2008-09. ©Ramón Martínez, Miguel Calvo

• Esquema general• Señales de audio (telefonía y voz)• Multiplexación FDM• Modulación y demodulación FM• Transmisión SCPC vs. FDM-FM• Compansión• Televisión: sistemas NTSC y MAC• Transmisión de Televisión en FM • Técnicas de dispersión

TransmisiTransmisióón Analn Analóógica: Telefongica: Telefoníía y Televisia y Televisióónn

2





Esquema general de transmisiEsquema general de transmisióónn

Codificación de fuente y modulación

Técnicas de multiplexado

Técnicas de modulación

Técnicas de acceso múltiple

Vídeo

Datos

Voz

ET

SSBFM FDM FM FDMA

PCMDM TDM PSK TDMA

FDMA

Analógica

Digital


• Voz: son las señales de audio generadas por el hombre y transformadas en señales eléctricas mediante un micrófono.

• Sonido: son las señales generadas por instrumentos musicales, cantos y conversaciones, transformadas en señales eléctricas mediante un micrófono.

• Los canales telefónicos están preparados para transmitir señales de voz. Los canales de radio y televisión deben permitir la transmisión de programas de sonido.

SeSeññales de Audioales de Audio

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• Ancho de Banda– La voz humana contiene frecuencias típicamente entre 30 y 10000 Hz– El rango de frecuencias de sensibilidad del oído es similar.– La mayor parte de la potencia se concentra por debajo de 1 kHz.– Para propósitos comerciales, al objeto de hacer el sonido natural y poder

identificar al que habla, deben transmitirse las frecuencias entre 300 y 3400 Hz.

• Factor de Actividad e Interpolación de voz– La actividad de voz de un canal telefónico es el porcentaje de tiempo durante

el que la voz está presente en el canal (dos canales forman un circuito).– La actividad de voz es el producto de tres factores:

• Eficiencia de los terminales debida a la necesidad de marcación de las llamadas. Valores típicos entre 0.7 y 0.9.

• Factor de actividad habla-escucha, que es del 50%.• Factor de actividad del que habla, debido a las pausas entre sílabas y a la

necesidad de respirar y de pensar. Valor típico entre 0.65 y 0.75– Es posible usar menos canales que el número de conversaciones.

CaracterCaracteríísticas de la Vozsticas de la Voz


CaracterCaracteríísticas de la Vozsticas de la Voz• Locutor de Volumen Constante y Volumen de Voz medido.

– Analizado sobre una población grande, el volumen de voz de un hablador de volumen constante se distribuye normalmente, con una media Po dBm0 y desviación típica de σ dB.

– La unidad de medida, dBm0, indica potencia respecto a 1 mW en un punto del enlace elegido como referencia. Este punto no es accesible para la medida, por lo que ésta se realiza a la salida de la primera central de conmutación desde donde se realiza la llamada, donde el nivel de potencia está 2 dB por debajo de la del punto de referencia.

– El volumen de la persona que habla depende de la distancia y de la calidad del circuito. Las primeras medidas indicaron un nivel de -15 dBm0 en circuito local y hora cargada. El nivel aumenta en 3.5 dB para llamadas intercontinentales a través de cable submarino.

– La mejora de la calidad de los circuitos ha disminuido casi en 5 dB el volumen requerido para una conversación inteligible.

– El valor de pico del volumen de voz es de unos 18 dB superior al valor medio. Por ello para probar los circuitos se utiliza un tono de prueba que es una señal sinusoidal de 1 kHz y 0 dBm0 (-15+18-3) ya que la relación entre potencia de pico y potencia media de un tono son 3 dB.

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RepresentaciRepresentacióón de un canal de Vozn de un canal de Voz

El espectro de un canal de voz se representa mediante untriángulo, como indica la figura.

Amplitud

Frecuencia

Espectro Normal

Amplitud

Frecuencia

Espectro Invertido


• Si sólo se transmite un canal por portadora: SCPC-FM• Si hay varios canales, se multiplexan en frecuencia para

modular la portadora: FDM-FM

MultiplexaciMultiplexacióón en Frecuencia FDMn en Frecuencia FDM

Multiplexor

Canalesde

entrada

Señal FDM

OL

Moduladorde Frecuencia

Señal FMa 70 MHz

BIF

Hacia elconversor

5





Demultiplexor

Canalesde

Salida

Señal FMa 70 MHz

Del Amplificadorde FI

(C/N)Demodulador

Señal CompuestaFDM

(S/N)

DemultiplexaciDemultiplexacióónn en Frecuencia FDMen Frecuencia FDM


104-108 KHz

FPB

108 KHz

1

+FPB

FPB

100-104 KHz

60-64 KHz

64 KHz

104 KHz

2

12

112Grupo

1 Grupo Primario ≡ 12 canales de voz1 Grupo Primario ≡ 12 canales de voz

Multiplexado de 12 Canales Multiplexado de 12 Canales TelefTelefóónicos para formar Gruponicos para formar Grupo

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ModulaciModulacióón de Frecuencia (FM)n de Frecuencia (FM)

• La desviación ∆f de la frecuencia instantánea respecto a la frecuencia de portadora fc es proporcional a la amplitud instantánea de la tensión moduladora.

VCOm(t) s(t)

fc

s t A t k mc f

t

( ) cos ( )d= +⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥∫ω π τ τ2

0

kf = cte de desviación de frecuencia

m t A tm m( ) cos= ω

s t A t k Af

sin t A t ff

sin tcf m

mm c

mm( ) cos cos= +

⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥ = +

⎛⎝⎜

⎞⎠

ω ω ω ω∆

∆f/fm es el índice de modulación mf∆f/fm es el índice de modulación mf


La señal s(t) puede expresarse como una serie infinita de componentesespectrales discretas:

( ) ( ){( ) ( ) ( ) ( )[ ]

s t A J m t

J m n t n t

f c

n f c mn

c mn

n

( ) cos

cos cos

= +

+ + − −⎫⎬⎭=

=∞

∑

0

11

ω

ω ω ω ω

Las amplitudes sólo dependen del índice de modulación mf.

La potencia total es igual a la de la portadora sin modular ya que:

( )J m mn f fn

n2 1= ∀

=−∞

=∞

∑

El número de componentes espectrales es infinito, pero basta con transmitirlas (mf+1) primeras líneas (Regla de Carson) para reconstruir la señal. Portanto, el ancho de banda de transmisión necesario es:

( ) ( )B m f f ff m m= + = +2 1 2 ∆

Espectro de la SeEspectro de la Seññal de FMal de FM

7





Espectro de FMEspectro de FM

A modo de ejemplo se ha calculado el espectro de una portadora con fc=1000 Hz, fm=100 Hz y mf = 5. Se ha usado para ello una FFT de 256 puntos. En la figura se indica también cuál es el ancho de banda de Carson.

0 20 40 60 80 100 120 14020

15

10

5

0

5

10

.10 log Pj

jfc

BW


0 0.005 0.01 0.015 0.021

0.5

0

0.5

11

1−

s t( )

v t( )

0.020 t

0 0.005 0.01 0.015 0.021

0.5

0

0.5

11

1−

s t( )

v t( )

0.020 t

Ancho de Banda de Ancho de Banda de CarsonCarson

fc=1000 Hz, fm=100 Hz, mf=5

Señal modulada y señalfiltrada con 2(mf+1) comp.

Señal modulada y señalfiltrada con 2(mf) comp.

Señal FM originalSeñal FM filtrada

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f0 : frecuencia de portadora

Df : desviación de pico de frecuencia

m(t)

FM

Signal Gen.

1/s

Integrator

-K-

Dospi

-K-

Df

Clock

-K-

Dospi1

++

Sum

f(u)

cos(u)-K-

f0

Average PSD�

Modulador FM en Modulador FM en SimulinkSimulink


Tono modulador y SeTono modulador y Seññal FMal FM

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MODEM FM con Demodulador de CuadraturaMODEM FM con Demodulador de Cuadratura


DemodulaciDemodulacióón FM mediante discriminadorn FM mediante discriminador

)(22cos)( →⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛+= ∫

∞−

t

NDcc FMduuxftfAty ππ

( ) ( )[ ]( ) )(22sin1·22 →⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛+−+= ∫

∞−

t

NDcNDcc AMduuxftftxffAdt

tdy ππππ

DISCRIMINADORDETECTOR DE ENVOLVENTE(Receptor AM)

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MODEMMODEM--FM con DiscriminadorFM con Discriminador


ModemModem FM con Demodulador PLLFM con Demodulador PLL

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El filtro de FI se supone ideal y su ancho de banda B permite el paso de s(t) con distorsión mínima

x t A t t n tc( ) cos( ( )) ( )= + +ω φ

n t n t n sin tc c s c( ) cos= −ω ω

n t r t tc ( ) ( ) cos ( )= ψ

n t r t ts ( ) ( )sin ( )= ψ

DemodulaciDemodulacióón FM (1)n FM (1)


DemodulaciDemodulacióón de FM (2)n de FM (2)

θ φψ φ

ψ φ( ) ( ) ( )sin( ( ) ( ))

( )cos( ( ) ( ))t t tan r t t t

A r t t t= +

−+ −

⎧⎨⎩

⎫⎬⎭

−1 Si A>>r(t):

θ φ( ) ( ) ( )t t t≈ + ∆φ

∆φ( ) ( ) sen[ ( ) ]

( )sen cos ( )cos

cos

t r tA

t

r t r tA

nA

nA

sins c

= −

=−

= −

ψ φ

ψ φ ψ

φ φ

S fA

S f sinA

S f

S fA

S fA

NA

t n n

n n o

s c

c s

∆φ( ) ( ) cos ( ) ( )

( ) ( )

= +

= = =

2

2

2

2

2 2 2

φ φφ varía mucho más lentamente que ψ(t) y se puede considerar constante.

)( tφ

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DemodulaciDemodulacióón de FM (3)n de FM (3)

El demodulador deriva θ(t) para obtener la señal moduladora:

y t d td t

d td t

d td t

k m t n tf o u t

( ) [ ( ) ] [ ( ) ( ) ]

( ) ( )

= = +

= +

12

12π

θπ

φ ∆ φ

El espectro de ruido a la salida es (multiplicando por jω):

S f j f S f N fAn

oout

( ) ( )= =22

2 2

2ππ ∆φ

Como se ve la tensión de ruido aumenta linealmente con f, y su espectroaumenta parabólicamente.

Como se ve la tensión de ruido aumenta linealmente con f, y su espectroaumenta parabólicamente.

( ) ( )dt

tdtnoutφ

π∆

=21

siendo:


BRF/2-BRF/2 fm-fm

Espectro de la señal

SN(f)

frecuencia

Densidad espectral

Los canales telefónicos más cercanos a B se verán más perjudicados por el ruido (peor S/N).

Los canales telefónicos más cercanos a B se verán más perjudicados por el ruido (peor S/N).

Espectro de ruido en FMEspectro de ruido en FM

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DemodulaciDemodulacióón de FM (FDM)n de FM (FDM)

FDM-FM: interesa encontrar la relación señal a ruido para el canalpeor (el de la parte alta de la banda de frecuencias)

fmfm-b

b

f2Densidad espectralde potencia

f

NN f bA

o m≈2 2

2

Para un tono de prueba (sinusoidal) que produce una desviación de picode frecuencia ∆f, si llamamos ∆fr a la desviación rms de frecuencia:

2AC

2=

( ){ }222

2222

22 ff,ffAktsenAEkS rr

mfmmf

∆=∆∆=

∆==⋅= ω

Doble banda


2

2

2

0

2

2

20

2 122 ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ∆⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

∆=

∆=

m

r

m

r

m

r

ff

bB

NC

ff

bB

BNA

AbfN

fNS

( ) ( )122 +⋅=+⋅= ∆ MfffB mm

Y la relación señal a ruido S/N a la salida del discriminador será:

El ancho de banda de FI se calcula mediante la regla de Carson:

fm: frecuencia máxima de la señal multiplexada FDMf∆: desviación de pico de la señal modulada FDMM: índice de modulación

DemodulaciDemodulacióón de FM (FDM)n de FM (FDM)

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La tensión de ruido a la salida del demodulador crece linealmente con la frecuencia. Sería deseable limitar la potencia de ruido por debajo de un determinado valor a partir de cierta frecuencia fd.

DetectorTensiónde ruido

Frecuencia moduladora

Característicadeseada

fd fd

Deénfasis

Función detransferencia

Para obtener la característica deseada, necesitamos un filtro de deénfasis.Para compensar la atenuación a frecuencias altas de este filtro necesitamosun filtro de preénfasis en el transmisor.

fd

Función detransferencia

PreénfasisEl factor de mejora por preénfasis ydeénfasis es de 4 dB.

PrePreéénfasisnfasis y y DeDeéénfasisnfasis


PrePreéénfasisnfasis y y DeDeéénfasisnfasisEl estándar de preénfasis para sistemas FDM/FM está en la Rec. 464 del CCIR.Si la frecuencia máxima de la señal multiplexada es fmax, el filtro debe propor-cionar atenuación mínima a fr=1.25·fmax. Normalizando a 0 dB la respuestadel filtro en fr, la atenuación a cualquier otra frecuencia debe ser:

( )A

f f f fdB

r r

= ++ −

⎧⎨⎪

⎩⎪

⎫⎬⎪

⎭⎪10 1 6 90

1 5 25 2log ..

1 10 100 100010

5

0

H( )f

f

La función de transferencia será su inversa y se representa en la figura parauna fmax de 100. Las características de deénfasis son las inversas.

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Ni la respuesta del oído humano ni la de los transceptores telefónicos es plana.Parte del ruido en la banda recibida no es apreciado por el oyente. Por ello, lacalidad percibida por éste es mejor que la calidad eléctrica S/N de la señal.

El factor de mejora por ponderación sofométrica es de 2.5 dB

0.1 1 1040

20

0

Rei

FreciEl ancho de banda de este filtro es 1.74 kHz en lugar de los 3.1 kHz del canal. Por tanto la ventaja por ponderación sofométrica será:

( )10 31 174 2 5log . . .= dB

PonderaciPonderacióón n SofomSofoméétricatrica


Tono de PruebaTono de Prueba

x

t

Señal de voz

1

x Tono de Prueba 1 kHz

Función de probabilidad Laplaciana

( )P xx

= −⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

12

2σ σ

exp

σ = tensión rms

PP

dBpico

media

= 18 4.

La potencia media de un locutor medioes de -15 dBm0 lo que implica una potenciade pico de +3 dBm0

Un tono con potencia de pico de 3 dBm0tendrá una potencia media de 0 dBm0

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Factores de Carga y de PicoFactores de Carga y de Pico

( )L PP

l P n nt=⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥ = ⋅ ≈ + = − +

0020 10 15 10log log log

P´t es similar al ruido blanco sin es grande:

′′

⎡

⎣⎢⎢

⎤

⎦⎥⎥=

PP

dBt pico

t media

10

Po es la potencia media -15 dBm0

Po

Po

Po

1

2

n

PtMUX

Factor de carga

Voz

Voz

Voz

1

2

n

P´tMUX

Factor de pico


0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.0120

10

0

10

20

f( )t

f1( )t

t

La figura compara un tono de prueba y la multiplexación de 50 canales conun tono de prueba de entrada en cada uno y fases aleatorias.

Tono de Prueba y SeTono de Prueba y Seññal Compuestaal Compuesta

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SeSeññal Compuesta con Tonos y con Vozal Compuesta con Tonos y con Voz

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.0130

20

10

0

10

20

30

f( )t

voz( )t

t

La figura compara la señal compuesta formada por 50 tonos multiplexados ypor 50 canales de voz (simulada como ruido gaussiano). Puede observarse como las amplitudes de esta son superiores a las de la anterior.


• La señal compuesta por n canales tiene una potencia equivalente substancialmente superior a la suma de las potencias de los n canales cuando cada uno lleva un tono de prueba.

• La relación entre las potencias anteriores es el factor de carga multicanal l:

• La forma de onda de la señal FDM-FM es similar al ruido. La relación entre el valor de pico y el valor rms se llama factor de pico g:

• La desviación de pico la señal FDM-FM cargada con voz se relaciona con la desviación rms de la señal cargada con tonos de prueba mediante:

201 4

15 10240240

⋅ =− +

− +⎧⎨⎩

<≥

log( log )

( log )l

nn

nn

16.310 == dBg

∆ f l g fr= × ×

Canales FDMCanales FDM--FMFM

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Factor de Carga Factor de Carga MultiportadoraMultiportadora

La variación del factor de carga multiportadora en función del número de éstas, según el modelo del ITU-R, es:

4

1.5

l( )n

48024 n


La calidad de la señal telefónica se mide normalmente en dB de relación S/N.A veces se especifican los sistemas en términos de los niveles absolutosde ruido en el canal, medidos en picowatios (ponderados sofométricamente)pWp. La medida en picowatios es útil cuando hay que combinar la potenciade ruido de varias fuentes.

Esta medida absoluta también se suele dar en decibelios respecto a 1 pWp,denominados dBp (pero entonces no se diferencia si hay o no ponderación)

Un nivel de 0 dBp son -90 dBm. La ponderación reduce el ruido en 2.5 dB.

Para un nivel de señal estándar de 0 dBm serán:

( ) ( ) ( ) ( )SN P en pWp S

NS

Np no p p= − = −90 10 2 5log ,, .

P.e. 7500 pWp corresponden a 51.25 dB de S/N ponderados.

Las especificaciones para satélite permiten entre 7500 y 10000 pWp.La especificación de INTELSAT es de 8000 pWp

Especificaciones de las Prestaciones TelefEspecificaciones de las Prestaciones Telefóónicasnicas

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Un transpondedor de INTELSAT proporciona a una estación terrena 17.8 dB deC/N. Se transmiten 972 canales en una portadora FDM/FM ocupando los 36 MHzde ancho de banda del transpondedor. Si la S/N ponderada del canal peor es de51.0 dB determinar la desviación rms del tono de prueba y la desviación rmsmultiportadora que deben usarse.

Como no se conoce el esquema de multiplexación, se estima en promedio elancho de banda por canal en 4200 Hz. Por tanto, la frecuencia máxima de laseñal multiplexada es: f N MHzm = =4200 4 082.

510 17 8 10 36 1031 10

204 082 10

6 56

3 6. . log.

log.

.= +××

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟ +

×⎛⎝⎜

⎞⎠⎟+

∆frmsPor tanto:

De esta ecuación se obtiene: ∆frms = 8.193E + 5 = 819.3 kHz

El factor de carga para 972 canales es:( )

l = =− +

1015 10 972

20log

5.544Por tanto la desviación rms multiportadora: l frms⋅ =∆ 4.542 MHzEl ancho de banda de Carson: ( )BW g l f frms m= ⋅ ⋅ + =2 ∆ 36.87 MHzY por tanto habría que reducir un poco la desviación rms del tono de prueba.

EjemploEjemplo--11


EjemploEjemplo--22Una portadora modulada puede ocupar 9 MHz de un transpondedor de 36 MHz deINTELSAT. La C/N que se obtiene es de 14.7 dB y se desean 8000 pWp en el canalpeor de un esquema FDM/FM. ¿Cuantos canales telefónicos pueden transmitirse?

En primer lugar, los 8000 pWp corresponden a:

( )S N dBp = − =90 10 51log(pWp)Sustituyendo S/N, C/N, B y b se tiene la ecuación:

510 14 7 10 9 1031 10

20 6 56

3. . log.

log .= +××

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟ +

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟ +

∆ff

rms

m

Y de aquí obtenemos el valor: 20log ∆ ∆ff

ff

rms

m

rms

m

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟ = ⇒

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟ =-4.829 0.574

f Nm = 4200Teniendo en cuenta que la frecuencia máxima es:y suponiendo que N<240, el ancho de banda puede expresarse como:

[ ]{ }9 10 2 10 316 0 57 4200 42006 1 4 20× = × × × +− + log . .N N N

Y de esta ecuación se obtiene N

20





EjemploEjemplo--22

Para obtener N se sigue un procedimiento de aproximaciones sucesivas.La ecuación puede reescribirse como:

Y en forma iterativa: [ ]Ni Ni+ =× +

1 0 2107143

10 0 32 1.

.. log

Empezando con N0=240 se llega a N=191 canales. Este resultado es coherentecon la hipótesis de que n<240. Si no lo hubiera sido habría que tomar la hipó_tesis contraria y volver a resolver de forma similar la nueva ecuación.

Con 191 canales se obtienen: fm = ⋅ =4200 191 802.2 kHz

( )l 191 = 2.548El factor de carga es del tono de prueba :

La desviación rms multicanal : l frms⋅ =∆ 1.172 MHz

La desviación rms es: ∆f frms m= ⋅ =0 460.1kHz.57

El ancho de banda de Carson: ( )B g l f frms m= ⋅ ⋅ + =2 ∆ 9.014 MHz


DemodulaciDemodulacióón de FM (SCPC)n de FM (SCPC)

SCPC: la señal moduladora se extiende de -fm a fm

N NA

f df N fA

o

f

fo m

m

m

= =−∫2

23

223

Para un tono de prueba (sinusoidal) que produce una desviación de picode frecuencia ∆f:

S f=∆ 2

2Y la relación señal a ruido será:

SN

A fN f

CN

Bf

ffo m m m

= = ⎛⎝⎜

⎞⎠⎟⎛⎝⎜

⎞⎠⎟⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

34

32

2 2

3

2∆ ∆

Siendo B el ancho de banda, que según la regla de Carson, se toma:

B f fm= +2( )∆

C A=

2

2

fm-fm

21





• Evitan el multiplexado de los canales reduciendo el costo de las ETs (cada canal telefónico modula a su portadora)

• Más simple de reconfigurar que FDM-FM (útil para sistemas de asignación bajo demanda DA)

• Solo se transmite portadora cuando el enlace estáactivo. Ahorra potencia de transpondedor respecto a FDM-FM en que siempre se transmite portadora)

• SCPC-FM requiere más ancho de banda que FDM-FM para el mismo número de canales. Está en desventaja cuando se requieren muchos canales.

Sistemas AnalSistemas Analóógicos SCPCgicos SCPC--FMFM


• Se puede conseguir una mejora de 6.3 dB por preénfasisy 2.5 dB por ponderación sofométrica

• Se pueden obtener 16-17 dB de mejora usando Compansión : el rango dinámico de la señal se comprime antes de modular y se expande después de detección.

Sistemas AnalSistemas Analóógicos SCPCgicos SCPC--FMFM

SN

CN B

Bf

ff

PW

CN

f

CN

f

o IF

IF

m

p

m

op

op

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟=⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

=⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥ + + + + +

=⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥ − +

32

10 1 5 6 3 2 5 10 13400

20

94 5 20

2

3

∆

∆

∆

log( . ) . . log( ) log

. log

22





0.1 1 106

4

2

0

2

4

6

8

10

Gi

Fi

INTELSAT

Para que la potencia total de ruido en los 3.1 kHz no cambie, la frecuencia fd delfiltro de preénfasis debería ser de 2.06 kHz. La ley de preénfasis anterior tomacomo fd (frecuencia a la que no se cambia el nivel de señal) 1kHz. El énfasis esaproximadamente de 6 dB por octava y la mejora por preénfasis resulta:

( )20 2 06 1 6 3log . .= dB

CaracterCaracteríística de stica de PrePreéénfasisnfasis para SCPCpara SCPC


CompansiCompansióónnEl compansor silábico permite adaptar el rango dinámico de la voz al rangodinámico del sistema de transmisión. El principio consiste en reducir elrango dinámico de la señal de voz en transmisión (la señal se comprime) y expandirlo en recepción. El término silábico hace referencia a que las constantes de tiempo del circuito le permiten adaptarse a las variaciones sílaba a sílaba de la potencia de la señal (en contraste con la compansióninstantánea digital).

La relación de compresión del compansor se define como: Rcn nn n

e eo

s so=

−−

siendo ne el nivel de entrada, neo el nivel de entrada no afectado, ns el nivelde salida y nso el nivel de salida correspondiente a neo.

El valor recomendado de Rc es 2, de manera que una variación de 2 dB se reduce en el compresor a 1 dB. El nivel típico no afectado es de -11 dBm0.

La característica típica del compresor es por tanto:

( ) ( ) ( )P dBm P dBmout in= + −2 11 2Y la del expansor es:

( ) ( )P dBm P dBmout in= +2 11

23





-60

-50

-40

-30

-20

-10

0Ci Co Ei Eo

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

1

2

3

4

Vi (mV)

Vo (mV)Las características de transferenciade tensión del compansor son las de la figura.

RUIDO

Una mejora objetiva de la compansiónse debe a que el ruido se añade despuésde la compresión con lo que su potenciadisminuye mucho con la expansión.

Además en las pausas el nivel deruido mucho menor mejora la calidad subjetiva de recepción.

La mejora por compansión variaentre 13 dB (Rec. CCIR) y 17 dBsegún algunos autores.

CompansiCompansióónn SilSiláábicabica


• El ojo humano es sensible a las ondas electromagnéticas en la banda visible (entre 400 y 700 nm)

• La retina tiene dos tipos de receptores: bastones, responsables de la visión monocroma a niveles bajos de luminancia, y los conos, responsables de la visión de los colores.

• Hay tres tipos de conos con sensibilidades máximas al rojo (580 nm), verde (540 nm) y azul (440 nm) respectivamente.

• Para reproducir las imágenes se utilizan tres radiadores monocromáticos en rojo (700 nm), verde (546.1 nm) y azul (435.8 nm), un poco separados de las frecuencias de máxima sensibilidad para poder separar los espectros (en la práctica no son monocromáticos).

SeSeññales de Vales de Víídeodeo

24





TelevisiTelevisióón Monocroman Monocroma

• Una imagen bidimensional se descompone en elementos (pixeles) mediante transductores fotoeléctricos.

• Las salidas de estos transductores y la información necesaria para reconstruir la imagen (señales de sincronismo) junto con el sonido forman la señal de TV.

• En el extremo transmisor la cámara explora la imagen línea a línea de izquierda a derecha y de arriba a abajo. Al finalizar cada línea un rápido retroceso permite comenzar la nueva línea. Al terminar una pantalla, un rápido retroceso del haz de exploración permite comenzar la exploración de la siguiente.

• En los sistemas de 625 líneas la pantalla se explora 50 veces por segundo, en dos campos entrelazados, con lo que se transmites 25 imágenes por segundo.


GeneraciGeneracióón de la sen de la seññal de televisial de televisióónn

25





GeneraciGeneracióón de la sen de la seññal de televisial de televisióónn


Estructura de trama 625/50Estructura de trama 625/50

Líneas impares 287.5

Líneas pares 287.5

25 líneas

25 líneas

Duración de Línea = 64 µs

12.45 µs 51.55 µs

1.5 ms

18.5 ms

20 ms

40 ms

(767 píxeles/línea) (aspecto 4:3)625 líneas (PAL, SECAM)→ 25 imágenes/seg

26





Estructura de LEstructura de Lííneanea

La resolución horizontal es de 767 pixeles por línea y se transmiten 625 líneas de imagen en 1/25 seg. El ancho de banda equivalente es de unos 7.4 MHz.

Teniendo en cuenta las dimensiones del haz de electrones y la distancia media entre el observador y la pantalla, se transmite entre 4.2 y 6 MHz. La modulación usada en sistemas terrenales es Banda Lateral Vestigial.

El sonido utiliza una banda de 15 kHz. Se transmite en una subportadoramodulada en FM.

Sincr.

Luminancia

t

64 µs

100 IRE

40 IRE


Sistema NTSCSistema NTSC

Los colores primarios se escogen de manera que la señal de luminancia es:

B.G.R.Y 114058702990 ++=

La señal de luminancia Y se transmite con dos señales de crominanciaproporcionales a las diferencias de color (R-Y) y (B-Y).

( ) ( ) B.G.R.YR.YB.I 322027505960740270 −−=−+−−=

( ) ( ) B.G.R.YR.YB.Q 313052302110480410 +−=−+−=

Las señales I y Q modulan en fase y en cuadratura a la subportadora de crominancia a una frecuencia múltiplo entero de la mitad de la frecuenciade línea.

27





Espectro Banda BaseEspectro Banda Base

Luminancia

Crominancia

fsc=3.579545 MHz

Audio

6.8 MHz

+x

x

M

R

GB

Osc. Subport.

-90º

Sincr.Retornode línea

Y

I

Q


TelevisiTelevisióón FMn FM• En los sistemas vía satélite se usa FM porque:

– Para la misma C/N puede reducirse la potencia transmitida respecto a AM en unos 20 dB

– La protección frente a señales interferentes es unos 20 dB mejor que en AM y ello permite, por ejemplo en DBS, un cierto solape entrecanales (anchos de banda de 27 MHz con una separación entre frecuencias centrales de los canales de 19.18 MHz)

• Los problemas del PAL son:– Cruce de color en áreas de detalles finos (mala separación entre las

componentes altas de luminancia y la crominancia)– Cruce de luminancia (se producen variaciones de brillo en zonas de

cambio rápido de color)– El ruido afecta más a la subportadora de color y a las componentes

de alta frecuencia de la luminancia.

• Las transmisiones MAC (componentes analógicas multiplexadas) eliminan los problemas del PAL.

28





TelevisiTelevisióón FMn FM

La calidad se expresa como la relación entre la señal pico a pico de luminancia y el ruido: (S/N)p-p.

Para una señal sinusoidal la potencia pico a pico es (2√2)2 veces la potencia media.

La amplitud pico a pico de la señal de luminancia es 1/√2 veces la amplitud pico a pico de la señal de vídeo (100 unidades IRE / 140 unidades IRE).

( )

PWff

fB

NC

PWff

fB

NC

NS

v

v

v

v

v

vpp

2

222

6

23

2122

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ ∆⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ ∆⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

−


• P es el factor de mejora por preénfasis, W es la mejora videométrica, ∆fv es la desviación de pico de la señal compuesta de vídeo, fv es la frecuencia máxima de vídeo y B es el ancho de banda de Carson:

• Parámetros típicos para NTSC conducen a:

)ff(B vv +∆= 2

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

− NC.

NS

pp2440FSS

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

− NC.

NS

pp

5333DBS

dB.PWMHz.f

MHz.fMHzB

v

v

812813

2436

=

=∆

==

dB.PWMHz.f

MHz.fMHzB

v

v

81287

2424

=

=∆

==

TelevisiTelevisióón FMn FM--FDMAFDMA

29





La mejora por ponderación es de 11.7 dB para los sistemas de 525 líneas,y de 11.2 dB para los de 625 líneas.

La mejora por preénfasis es de 3.1 dB para 525 líneas y de 2.0 dB para losde 625 líneas.

• La mejor calidad es Excelente, Grado 5 con una SNR sin ponderar de más de 33.8 dB.

• La calidad Buena de Grado 4 con degradación perceptible pero no molestarequiere una S/N sin ponderar de 33.8 dB.

• La calidad Regular de Grado 3 con degradación un poco molestarequiere una S/N sin ponderar de 29 dB.

• La calidad Pobre de Grado 2 con degradación molesta requiere una S/N sin ponderar de 24.8 dB.

• La calidad Mala de Grado 1 con degradación muy molesta requiere una S/N sin ponderar de menos de 24.8 dB.

Objetivos de CalidadObjetivos de Calidad


SN

ff f

CNsc

sc

o

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

=−

32

2

23

13

∆( )

∆ ∆ ∆ ∆f f f fb v sc sc2 2

12

22= + + L

B f fb b= +2( )∆

SeSeññal compuesta de TVal compuesta de TV

VIDEO

Subportadoras de Audio

fv

fsc1

fb

bsc

f1 f2

30





Estructura de Trama MACEstructura de Trama MAC

Dif.ColorCompr 3:1

25 líneas

25 líneas

Duración de Línea = 64 µs

12.45 µs 51.55 µs

1.5 µs

18.5 µs

20 µs

40 µs

LuminanciaCompr 3:2

LuminanciaCompr 3:2

Dif.ColorCompr 3:1


SeSeññal MACal MAC

B-MAC

Luminancia3:2

Luminancia3:2

Luminancia3:2

DiferenciaColor

3:1

DiferenciaColor

3:1

DiferenciaColor

3:1

Sincr. ydatos

2x99 bits

Clamp

Sincr. ydatos99 bits

Dat Dat Dat

Rec.reloj

C-MAC Paquetes

D2-MAC Paquetes

31





TRANSMISION DE TV + DATOS EN SUBPORTADORAS DE TV-FM

DistribuciDistribucióón de datos unidireccionaln de datos unidireccional

f

VIDEO AUDIOSUBPORTADORAS

DE DATOS


DistribuciDistribucióón de datos unidireccionaln de datos unidireccional

RAFAGADE DATOS

CROMINANCIACOMPRESION 3:1

LUMINANCIACOMPRESION 1.5:1

t

64 µs

SISTEMA DE TRANSMISION MAC PAQUETES

32





• En FM cuando no hay señal moduladora toda la potencia se radia a la frecuencia de la portadora.

• Cuanto mayor es la amplitud de la señal moduladora menor es la densidad espectral de potencia transmitida.

• En telefonía cuando se trabaja a plena carga la densidad espectral es mínima.

• INTELSAT establece que en 4 KHz la densidad espectral no debe sobrepasar en más de 2 dB a la de plena carga. Se introduce una señal de dispersión con forma de onda triangular en el transmisor y se elimina en el receptor. Su amplitud se ajusta dinámicamente en función de los canales ocupados.

• En TV la amplitud es cte (para producir una desviación de frecuencia de 1 o 2 MHz) y la frecuencia es de 25 o 30 Hz.

• Objetivo: cuando la carga es reducida, debe introducirse una señal de dispersión en transmisión para distribuir la energía en toda la banda– Ejemplos de señales de dispersión: triangular, diente de sierra– Sus características (amplitud y frecuencia) depende del número de

canales ocupados

DispersiDispersióón de Energn de Energííaa


DispersiDispersióón en FDM/FMn en FDM/FM

• Intelsat utiliza frecuencias de la señal de dispersión entre 20 y 150 Hz• Sea una señal telefónica analógica FDM/FM que modula una portadora de C

watios. La carga produce una desviación rms de d Hz.• El espectro resultante puede considerarse gaussiano y la densidad espectral

de potencia puede expresarse como:

( ) ( )⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=

2

2

22 dffexp

dCfW c

π

6.8 107 7 107 7.2 1074.531 10 6

0.026

0.052

0.079

0.105

0.131

0.157

Pj

Ejemplo: para 60 tonos e índice de modulación de 10.408

DEP

33





Ejemplo de DispersiEjemplo de Dispersióónn

Un enlace de INTELSAT III de 60 canales tiene una desviación rms del tonode prueba de 410 kHz y una desviación rms multiportadora de dm=830 kHz.La densidad espectral de potencia, según la expresión teórica y para dm, 0.75dm y 0.25dm, será (en FI a 70 MHz):

6.4 107 6.6 107 6.8 107 7 107 7.2 107 7.4 107 7.6 1070

5 10 7

1 10 6

1.5 10 6

2 10 6

f

dm

0.75dm

0.25dm


Ejemplo de DispersiEjemplo de DispersióónnPara comprobar el carácter gaussiano del espectro se tomó como señalmultiplexada 60 tonos con fases aleatorias, y se moduló una portadora de70 MHz (el índice de modulación es 3.16*dm/(4200*60)=10.408. Las figuras muestran la señal multiplexada y el espectro de la señal modulada.

6.8 107 7 107 7.2 1074.531 10 6

0.026

0.052

0.079

0.105

0.131

0.157

Pj

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010.1

0.05

0

0.05

0.1

f( )t

t

34





DispersiDispersióón segn segúún la cargan la carga

• A plena carga la desviación rms multicanal es dm y la densidad espectralserá:

( ) ( )⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 2

2

22 m

c

mmin d

ffexpd

CfWπ

• Cuando no hay ninguna carga la densidad espectral Wmax se determina por la desviación ∆Fmax que causa la amplitud máxima de la señal de dispersión.Si la señal de dispersión es triangular dispersará uniformemente la potenciaC de portadora en una banda 2x∆Fmax:

( )max

max FCfW∆

=2

• En la práctica se elige Wmax = Wmin(0) y por tanto:

( ) 202π

mmin

max dW

CF ==∆


DispersiDispersióón segn segúún la cargan la carga

Para una carga menor que la máxima (d<dm) la señal de dispersión produciráuna ∆F < ∆Fdm que se calcula resolviendo la ecuación integral:

∫∆

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−=

∆ dd

dF

m

m

m dxxexpd

F0

2

221

21

ππ

Dicha integral puede resolverse por métodos numéricos, gráficamente o manualmente.

35






En nuestro ejemplo se pide determinar la ∆Fmax y la ∆F para un 75% decarga.

∆F d kHzmax m= = =π π2

8302

1040 25.

Para d=0.75dm, y llamando u=∆F/dm hay que resolver la ecuación

u x dx I up

up

212 2

2

0π π= −

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟ =

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟∫ exp

donde I(t) es el área bajo la curva normal entre o y t (o bien el área entre- ∞ y t menos 0.5). Estas integrales suelen venir en los manuales de tablasmatemáticas.

En MathCAD se puede programar fácilmente la ecuación integral y suresolución lleva a un valor de u de 1.053 y por tanto ∆F=873.9 kHz



0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 40

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

I( )t

It

0.75

t

.2 π

t

La figura muestra gráficamente la solución del problema.

t=1.05

36





Un Un/0.75 I(Un/0.75))+0.5 Un+1=I()*raiz_dospi0,50 0,67 0,7454 0,61510,62 0,82 0,7939 0,73670,74 0,98 0,8365 0,84350,84 1,12 0,8686 0,92390,92 1,23 0,8907 0,97930,98 1,31 0,9032 1,01071,01 1,35 0,9115 1,03151,03 1,38 0,915 1,04031,04 1,39 0,9177 1,04701,05 1,40 0,9192 1,05081,05 1,40 0,9192 1,0508

Ejemplo de ResoluciEjemplo de Resolucióón Manualn Manual


x 0 1 2 3 4 5 6 7 8 90 0,5 0,5040 0,5080 0,5120 0,5160 0,5199 0,5239 0,5279 0,5319 0,5359

0,1 0,5398 0,5438 0,5478 0,5517 0,5557 0,5596 0,5636 0,5675 0,5714 0,57530,2 0,5793 0,5832 0,5871 0,5910 0,5948 0,5987 0,6026 0,6064 0,6103 0,61410,3 0,6179 0,6217 0,6255 0,6293 0,6331 0,6368 0,6406 0,6443 0,6480 0,65170,4 0,6554 0,6591 0,6628 0,6664 0,6700 0,6736 0,6772 0,6808 0,6844 0,68790,5 0,6915 0,6950 0,6985 0,7019 0,7054 0,7088 0,7123 0,7157 0,7190 0,72240,6 0,7257 0,7291 0,7324 0,7357 0,7389 0,7422 0,7454 0,7486 0,7517 0,75490,7 0,7580 0,7611 0,7642 0,7673 0,7704 0,7734 0,7764 0,7794 0,7823 0,78520,8 0,7881 0,7910 0,7939 0,7967 0,7995 0,8023 0,8051 0,8078 0,8106 0,81330,9 0,8159 0,8186 0,8212 0,8238 0,8264 0,8289 0,8315 0,8340 0,8365 0,83891 0,8413 0,8438 0,8461 0,8485 0,8508 0,8531 0,8554 0,8577 0,8599 0,8621

1,1 0,8643 0,8665 0,8686 0,8708 0,8729 0,8749 0,8770 0,8790 0,8810 0,88301,2 0,8849 0,8869 0,8888 0,8907 0,8925 0,8944 0,8962 0,8980 0,8997 0,90151,3 0,9032 0,9049 0,9066 0,9082 0,9099 0,9115 0,9131 0,9147 0,9162 0,91771,4 0,9192 0,9207 0,9222 0,9236 0,9251 0,9265 0,9279 0,9292 0,9306 0,93191,5 0,9332 0,9345 0,9357 0,9370 0,9382 0,9394 0,9406 0,9418 0,9429 0,9441

ÁÁreas bajo la Curva Normalreas bajo la Curva Normal

37





Puede rehacerse el problema para otros porcentajes de carga.

Usando el MathCAD se obtiene:

.1.1 106

.0.1 106

DF( )p

10.1 p

Desviaciones para otros porcentajes de cargaDesviaciones para otros porcentajes de carga

comunicaciones analógicas - upm...2 comunicaciones por satélite (5º curso) dpto. de señales,...

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