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11/01/07 René Játiva Espinoza

Introducción a las Comunicaciones


¿Qué es la comunicación?

• Comunicar es esencialmente transmitir una información desde un punto a otro a través de una sucesión de procesos.

• Ej: Telefonía, Telegrafía, Radio, Televisión, el habla, etc.

• Procesos: Generación (abstracta), Descripción (símbolos), Codificación (adecuación al medio), Transmisión, Decodificación, y Regeneración de Información.


Elementos de un sistema de comunicación

• Transmisor: Adecúa el mensaje de la fuente al medio de transmisión.

• Canal: es el medio de transmisión, en general no perfecto. Introduce degradación (distorsión, interferencia, ruido)

• Receptor: Opera sobre la señal recibida para reconstruir el mensaje y entregarlo al usuario de destino.


Elementos de un sistema de comunicación

Fuente de

Información

Usuario de

información

Tx Rx

Canal

Sistema de comunicaciones


Modelo de un sistema de Comunicaciones Digitales


Fuentes de Información

• Fuentes principales: Voz, Televisión, Facsímil y Computadores personales.

• Procesos de la comunicación vocal: Producción, Propagación, y Percepción.

• Puede modelarse como un filtro altamente selectivo en frecuencia, cuyo espectro de potencia se aproxima a cero para la frecuencia cero y alcanza un pico a pocos cientos de Hz.



• Televisión (TV): transmisión de imágenes en movimiento por medio de señales eléctricas.

• Procesos: Barrido secuencial de imágenes (rasterscanning), horizontal retrace, y vertical retrace.

• Cada imagen se divide en 525 líneas (trama, “frame”) y cada trama se divide en dos campos entrelazados.

• Cada campo se barre en 1/60 s y la frecuencia de barrido de la línea es de 15.75 kHz.

• La sensación de movimiento es posible gracias a la “persistencia de visión”


TV: Exploración Óptica de Trama Entrelazada

Inicio de campo I Inicio de campo II

Fin de campo I Fin de campo II

Se exhiben

30 imágenes

por segundo



• Televisión (TV): El número de líneas de barrido limita la resolución vertical y el ancho de banda del canal limita la resolución horizontal.

• Ancho de Banda de Video en NTSC: 4.2 MHz• NTSC (National Television System Commitee)• Facsímil: transmisión de imágenes sobre un canal

de comunicaciones (usualmente el teléfono). Se barre el documento original y a través de un sensor se convierte la luz en una señal eléctrica.



• Computadores Personales: Una buena porción están conectados en red.

• Texto codificado en ASCII. Fuente de información binaria. En general en una red de transmisión de datos, los flujos originales se multiplexan, originando señales de banda ancha. Estas señales se modulan para su transmisión sobre el canal.


Canales de Comunicación

• Redes Telefónicas: Conmutación de Circuitos• Canal Telefónico + Transductores (20-8000 Hz)• El canal telefónico es esencialmente lineal, y

limitado en banda.• Codificación de voz y procesado digital

especialmente impulsado por el desarrollo de las comunicaciones móviles.



• Fibra Óptica: Es una guía de ondas dieléctrica que transporta luz. Análoga a cables coaxiales o pares de cobre.

• Núcleo, Revestimiento, y chaqueta.• Características:

– Altísimo ancho de banda. Portadora 2x1014 Hz y BW de 2x1013 Hz;

– Bajas Pérdidas de Transmisión 0.1 dB/km– Inmunidad a Interferencias Electromagnéticas– Tamaño y pesos pequeños– Resistencia, Flexibilidad y Bajo costo de fabricación



• Canal de Radio Móvil: Extiende la capacidad de la PTN introduciendo movilidad en la red gracias a su capacidad de difusión.

• Características: Dispersión, Propagación multitrayecto, Pérdidas de Propagación adicionales, Desvanecimientos.

• Pueden modelarse como canales lineales variantes en el tiempo

• Modelos de Canal: Urban, Bad-Urban,Geométricos, Elípticos, Okomura-Hata, COST, etc.



• Canal Satelital: Provee cobertura de área extensa a nivel continental e intercontinental.

• En general se encuentran en órbita geoestacionaria (GSO) a una altitud de 35.800 km.

• Ofrecen cobertura de área extensa, enlaces de transmisión de alta confiabilidad y banda ancha para la transmisión.

• Bandas de 6GHz (UL) y 4GHz(DL) y BW de 500MHz– Equipamiento de microondas relativamente de bajo costo– Baja atenuación debida a la lluvia– Ruido de fondo espacial insignificante

• Medium Earth Orbit (MEO), LEO


Breve clasificación de los canales de comunicación

• Lineales: canal telefónico• No Lineales: canal satelital• Variante en el Tiempo: canal de radio móvil• Invariante en el Tiempo: fibra óptica• Limitado en Banda: canal telefónico• Limitado en Potencia: fibra óptica, canal

satelital.


Señales en Banda Base

• Señales en Banda Base: se hace alusión a la banda de frecuencia de la señal mensaje entregada por la fuente de información.

• Señales análogas: tiempo y amplitud toman valores continuos

• Señales digitales: tiempo y amplitud toman valores discretos.


Señales Pasa Banda

• Señales Pasa Banda: se hace referencia a la señal transmitida.

• En este caso la banda de frecuencias de la señal mensaje se centra alrededor de una frecuencia mucho mayor que la mayor frecuencia componente en la señal mensaje.


Representación de señales y sistemas

• Son los fundamentos matemáticos que nos permiten estudiar la operación de los sistemas de comunicación.

• Señales Periódicas: Se dice que g(t) es periódica si cumple que

• g(t)=g(t+T)• donde t es el tiempo y T es una constante que se

denomina período de la función.• Señales Deterministas: No existe incertidumbre con

respecto a su valor presente, pasado o futuro. Pueden modelarse y especificarse completamente como funciones del tiempo.


Representación de señales y sistemas

• Señales Aleatorias: Son aquellas sobre las cuales existe cierto grado de incertidumbre antes de su ocurrencia.

• Energía y Señales de Potencia:– Si g(t) representa la corriente o tensión de una señal, la potencia

instantánea p(t) puede asociarse a: – p(t)=abs(g(t))2

– La energía total de la señal g(t) se define por E, y la Potencia media por P:

( )∫−

∞→=

T

TT

dttglimE 2

( )∫−

=T

T

dttgT

limP 2

21

( )∫−

∞→=

T

TT

dttgT

limP 2

21


Consideraciones Probabilísticas

• El proceso de las comunicaciones tiene naturaleza probabilística.

• Una de las fuentes de incertidumbre más importantes en la operación de sistemas de comunicación es el ruido (térmico, impulsivo e interferencias).

• Sin embargo la señal puede describirse en términos estadísticos a partir por ejemplo de su potencia media y de la distribución espectral de potencia.


Consideraciones Probabilísticas

• Otra factor de incertidumbre se encuentra en la fuente de información.

• Una señal aleatoria, independientemente de su origen puede verse como una realización de un conjunto de posibilidades colectivamente llamada proceso aleatorio o estocástico.

• La caracterización de tales procesos y la evaluación del efecto de aplicarlos a sistemas lineales es esencial para el entendimiento de la operación de los sistemas de comunicación.


El Proceso de la Modulación

• Objetivo: entregar una señal mensaje desde una fuente de información en una forma reconocible por el usuario de destino.

• Método: el transmisor modifica la señal mensaje en una forma adecuada para su transmisión a lo largo del canal. (modulación).

• La modulación implica modificar algún parámetro de la onda portadora de acuerdo con la señal mensaje (moduladora).



• El proceso de recuperación de la señal mensaje a partir de la señal modulada se denomina demodulación.

• ¿Por qué es necesario modular?• Tipos de modulación:

– Modulación de onda continua (CW): AM,FM,PM– Modulación por pulsos: análoga (PAM, PDM, PPM)

• análoga: PAM, Pulse-Duration (PDM), Pulse-Position (PPM)• digital: Pulse-Code Modulation (PCM )



• Características de PCM:– Es robusta al ruido– Permite una operación flexible– Permite la integración de diversas fuentes en un

único formato– Posibilita una transmisión segura de extremo a

extremo• La modulación también permite la multiplexación

de señales (FDM, TDM).


Recursos Fundamentales en Comunicaciones

• Potencia Transmitida– Canales limitados en potencia (canal satelital)

• Ancho de Banda del canal– Canales limitados en banda (canal telefónico)

• ¿Cómo se relacionan el BW del canal de transmisión con la Potencia de transmisión y el ruido?


Elementos de Teoría de la Información y Codificación

• La Teoría de la Información utiliza las matemáticas y leyes de la probabilidad para estudiar el almacenamiento y manipulación de información.

• ¿Cuál es el límite fundamental en la compresión y refinamiento de información generado por una fuente?

• ¿Cuál es el límite fundamental en la tasa de transmisión información sobre un canal ruidoso?


Procesos en un sistema digital de comunicacione

• Generación de señal mensaje en la Fuente de Información• Codificación de Fuente• Codificación de Canal• Modulación• Transmisión a través del canal• Demodulación• Decodificación de Canal• Decodificación de Fuente• Entrega de la señal mensaje estimada al Usuario Destino


Capacidad y Ancho de Banda

• Teorema de la Capacidad de Información:

• C(b/s): Capacidad de Información - Tasa máxima a la cual la información puede transmitirse a través del canal sin cometer errores.

• Para una capacidad estipulada, puede intercambiarse Potencia de transmisión por ancho de banda.

( )SNRBC += 1log2


Notas Históricas

• 1837: Samuel Morse perfecciona el telégrafo• 1864: James Clerk Maxwell formula la teoría electromagnética

de la luz y predice la existencia de ondas de radio• 1887: Heinrich Hertz comprueba experimentalmente su

existencia• 1875: Alexander Graham Bell inventa el teléfono• 1904: John Ambrose Flemming inventa el tubo de vacío• 1918: Edwin H. Armstrong inventa el receptor superheterodino• 1928: Harry Nyquist publica un artículo sobre la transmisión de

señales en telegrafía.• 1937: Alec Reeves inventa el PCM


Notas Históricas

• 1943: D.O. North desarrolla el filtro acoplado para la detección de señales conocidas en ruido aditivo.

• 1948: Se inventa el transistor. Teorema de Claude Shannon.• 1949-1950: Desarrollo de los primeros códigos de corrección de

errores por parte de M.J.E. Golay y Richard W. Hamming.• 1955: John R. Pierce propone usar satélites de comunicaciones.• 1957: La Unión Soviética lanza el Sputnik I, que transmite

telemetría durante 21 días.• 1966: K.C. Kao y G.A. Hockham de Standard Telephone

Laboratories, en el Reino Unido proponen el uso de fibra de vidrio revestida como guía de onda dieléctrica. Predicen pérdidas de 20 dB/km.


Bibliografía

• Communication Systems, Fourth Edition; Simon Haykin; John Wiley & Sons, Inc, 2001.

• Digital Communications: Fundamentals andApplications, Second Edition; Bernard Sklar; Prentice Hall, 2000.

• Wiley Encyclopedia of Telecommunications; John G. Proakis; John Wiley & Sons, Inc, 2003.

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