tendencias de las comunicaciones modernas fsk psk qam punto-a-punto mundiales present pasadofuturo...
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TENDENCIAS DE LAS COMUNICACIONES MODERNAS FSK PSK QAM
Punto-a-Punto
Mundiales
PresentPasado Futuro
LPI/AJ
AM/FM
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Digital
Analog
FH
OFDM
DSSS
CODING
Tecnologias
Software Radio Sistemas
Cognitivos
0-2
Estructura de un Sistema de Comunicación
• Fuentes de Información
Señal Mensaje m(t) es la fuente de información a enviarse
Posibles fuentes de información incluyen voz, música, imagenes, video, y data, las cuales son señales de banda base
Las señales de banda base tienen potencia concentrada cerca DC
• Estructura básica de un sistema de comunicación análogo de tiempo contínuo:
m(t)
Proceso deSeñales
Circuitos
Portadora
Medio de Transmisión
Circuitos Portadora
Procesamiento de Señales
TRANSMISOR RECEPTORs(t) r(t)
)(ˆ tm
CANAL
Communication Systems
SISTEMA DE COMUNICACIÓN
• Señal Mensaje – Señal de información o señal de banda base
• Transmisor – Convierte y transmite la señal mensaje Convertidor de banda base – Filtrar, codificar, and multiplexar Modulación de onda portadora Amplificación de Potencia
• Canal – Conductores o el espacio libre a través del cual la señal es transmitida (La señal es distorcionada contaminada con ruido)
• Receptor – Desmodula, desmultiplea, y decodifica la señal recibida
• Señal Recibida – Señal detectada en presencia de ruido, solamente es una estimación de la señal mensaje
FUENTE TRANSMISOR RECEPTORCANAL DESTINO
n(t)
s(t) v(t) r(t) s(t)
meNsaje
Carrier signal
SISTEMA TÍPICO DE COMUNICACIÓN DIGITAL
Fuente: “Introduction to Spread Spectrum Communications” de Peterson, Ziemer, and Borth
Fuente de Información
Tasa de la Fuente:
Rm = (1/Tm ) log2 M bits per secondGenerador de
Código
Codificador de Canal
EncriptadorCodificador
(1, 2, . . . Q)
Amplificador de Potencia
Modulador de espectro
Modulador de Datos
Terminal Frontal de Receptor
Canal de Forma de
Onda
Concentrador de Espectro
Desmodula-dor de Datos
Decdificador de Canal
Desencriptad-or
Sincronización
Decdificador de Fuente
Receptor de Información
Ruido
Tasa de código:
R simbolos de salida por bits de entrada
Limitación de Potencia
Limitación de Ancho de
Banda
Canal Discreto (Sin Memoria)
SISTEMA DE COMMUNICACIÓN DIGITAL
CRITERIOS DE FUNCIONAMIENTO Sistemas Digitales vs. Analógicos
• Los sistemas analógicos de comunicación reproducen
formas de onda (un conjunto infinito)
• Los sistemas analógicos tinen mayor fidelidad (e.g. el
porciento de distorción entre las formas de onda
transmitida y recuperada)
• Los sistemas digitales de comunicación transmiten formas
de onda que representan digitos (un conjunto finito)
• Los sistemas digitales tienen una baja cantidad de dígitos
incorrectamente detectados
Abstracción de un Sistema de Comunicación
Fuente deInformación
Codificador Modulador
Canal
Señal de salida Decodificador Demodulador
Lado del emisor
Lado del receptor
0-8
Transmisor• Procesamiento de Señales
El filtrado pasabajo asegura que la señal mensaje ocupe un ancho de banada específico (e.g. en radio AM y FM, cada estación tiene asignada un rango de valores en el dominio de la frecuencia)
En un sistema de comunicación digital, podemos adicionar una redundancia al flujo de bits m[n] para ayudar a la detección (y posible corrección) de errores en el receptor
Communication Systems
m(t)
Procesamiento de la Señal
Circuitos de
Portadora
Medio de Transmisión
Circuitos de
Portadora
Procesamiento de la Señal
TRANSMISOR RECEPTORs(t) r(t)
)(ˆ tm
CANAL
24 October, 2002 George Mason University 9
Bloques comunes a todos los sistemas de comunicación
Sistemas de Comunicación
Digital
Análoga
24 October, 2002 George Mason University 10
Repaso de los componentes de un sistem,a de comunicación:
Transductor de entrada: El dispositivo que convierte una señal física de una fuente a una señal eléctrica, mecánica o electromagnética más adecuada para la comunicación
Transmisor: El dispositivo que envía la señal transducida Canal de transmisión: El medio físico a través del cual se
transporta la señal Receptor: El dispositivo quue recupera la señal transmitido por
el canal Transductor de salida: El dispositivo que convierte la señal
recibida a una señal útil
24 October, 2002 George Mason University 11
Sistemas básicos decomunicaciones analógicas
Modulador
Demodulador
Canal de Transmisión
Transductor de Entrada
Transmisor
Receptor
Transductor de Salida
Portadora
Ondas EM (señal modulada)
Ondas EM
(señal modulada)
Baseband signal (electrical signal)
Señal de Banda base (señal eléctrica)
0-12
Transmisor• Circuitos de Portadora
Convierten la señal de banda base a una banda de frecuencia apropriada para el canal, e.g. usando modulación analógica o digital
m(t)
Procesamiento de la Señal
Circuitos de
Portadora
Medio de Transmisión
Circuitos de
Portadora
Procesamiento de la Señal
TRANSMISOR RECEPTORs(t) r(t)
)(ˆ tm
CANAL
0
1
-
F()
0
Y()½
- - - +
- +
½F½F
Señal Banda base Señal convertida
Communication Systems
0-13
Canal de Comunicación• Medio de Transmisión
Línea alámbrica (par de cables, coaxial, fibra óptica)
Inalámbrica (interior/aire, exterior/air, submarina, espacial)
• La propagación de señales experimenta una degradación gradual con respecto a la distancia
• “Boosting” mejora la señal y reduce el ruido,
e.g. repetidoras
Communication Systems
m(t)
Procesamiento de la Señal
Circuitos de
Portadora
Medio de Transmisión
Circuitos de
Portadora
Procesamiento de la Señal
TRANSMISOR RECEPTORs(t) r(t)
)(ˆ tm
CANAL
0-14
Zonas de Recepción e Información• Receptor
Los circuitos de portadora anulan los efectos de los circuitos de portadora en el transmisor, e.g. convierten de señal pasa banda a señal banda base
El subsistema de procesamiento de señales extrae y mejora la señal banda base
• Zonas de información
Dispositivos de salida, e.g. pantallas de conmputadora, bocinas, pantallas de TV
Communication Systems
m(t)
Procesamiento de la Señal
Circuitos de
Portadora
Medio de Transmisión
Circuitos de
Portadora
Procesamiento de la Señal
TRANSMISOR RECEPTORs(t) r(t)
)(ˆ tm
CANAL
Areas de Aplicación
• Control
• Comunicaciones
• Procesamiento de Señales
Aplicaciones de Control
• Control y automatización ndustrial (Control de la velocitad o posición de un objeto)
• Ejemplos: Controlar la posición de una valvula o eje de un motor
• Herramientas Importantes: – Solución de ecuaciones diferenciales en el dominio
del tiempo– Función de Transferencia (Transformada de Laplace)– Estabilidad
Aplicaciones en Comunicaciones
• Transmisión de información (señal) a través de un canal
• El canal puede ser el espacio libre, cable coaxial, fibra óptica
• Componente clave de la transmisión: Modulación (Comunicación Analógica y Digital)
Aplicaciones de Procesamiento de Señales
• Procesamiento de señales=Aplicación de algoritmos para modificar señales de tal manera que se hagan más útiles.
• Metas:– Transmisión eficiente y confiable, almacenamiento y
despliegue de la información– Extracción y mejora de la Información
• Ejemplos: – Procesamiento de sonido y audio– Procesamiento Multimedia (imágen y video)– Acústica submarina– Análisis de señales biológicas
Aplicaciones Multimedia
• Compresión: Rápida, eficiente, confiable transmisión y almacenamiento de datos
• Aplicación sobre datos de audio, imágenes y video para su transmisión por Internet, almacenamiento
• Ejemplos: CDs, DVDs, MP3, MPEG4, JPEG
• Herramientas matemáticas: Transformada de Fourier, Quantización, Modulación
Ejemplo JPEG
43K 13K 3.5K
• JPEG usa Transformada Discreta-Coseno (similar a la Transformada de Fourier)
Análisis de Señales Biológicas
• Ejemplos:– Señales del cerebro (EEG)– Señales cardíacas (ECG)– Medical images (x-ray, PET, MRI)
• Metas: – Detectar actividad anormal (fallas o ataque cardíaco)– Ayudar al médico en el diagnóstico de padecimientos
• Herramientas: Filtrado, Transformada de Fourier
Ejemplo• Las ondas cerebrales están usualmente
contaminadas por ruidoy son difíciles de interpretar and hard to interpret
Biometría
• Identificar a una persona mediante sus caracterízticas fisiológicas
• Ejemplos:– Identificación por Huella Digital– Reconocimiento Facial– Reconocim,iento de Voz
Procesamiento de Señales de Audio
• Cancelación Activa de ruido :Filtrado adaptativo– Audífonos de cabina
• Efectos de Audio Digital– Adicionar efectos musicales especiales como
retraso , eco, reverberación
• Separación de señales de Audio– Separar la interferencia de sonido deseado– Sonido del viento de la música en carros
Ejemplo de Filtrado
Procesamiento Digital de Señales y sus
Beneficios Por señal nos referimos a cualquier variable que transporta o contiene alguna clase de información que puede ser comunicada, desplegada o manipulada.
Ejemplos de señales de particular interés:
- El habla, la encontramos en telefonía, radio, y la vida diaria
- Señales biomédicas, (señales del corazón, del cerebro)
- Sonido y música, de un reproductor de discos compactos
- Video e imágen,
- Señales de radar, usadas para determinar la posición y localización de blancos distantes
La atracción hacia el DSP se debe a ventajas clave tales como :
* Precisión garantizada: (la precisión está determinada unicamente por el número de bits usado) * Perfecta Reproducibilidad: Funcionamiento idéntico de unidad a unidad
ie. Una grabación digital puede ser copiada o reproducida varias veces sin pérdida en la calidad de la señal
* No ocurre alentamiento del funcionamiento con la temperatura y el tiempo
* Usa los avances en la tecnología de los semiconductores para lograr:(i) menor tamaño (ii)bajos costos (iii) bajos consumos de energía(iv) altas velocidades de operación
* Mayor flexibilidad: Reprogramables , sin necesidad de modificar el hardware * Funcionamiento Superior
ie. Se puede lograr respuesta lineal con respecto a la faseEs posible un complejo filtrado adaptativo
Desventajas del DSP
* Rapidez y Costo Los diseños en DSP pueden ser caros, especialmente cuando están involuicradas señales con anchos de banda grandes. ADC o DACs son muy caros o no tienen suficiente resolución para aplicaciones de ancho de banda grandes.
* Los diseños de DSP pueden ser consumidores de tiempo y necesitar los recursos necesarios (software, etc)
* Problemas de longitud finita de palabras Si se utiliza solamenmte un número limitado de bits, debido a
consideraciones económicas, puede resultar una seria degradación en el funcionamiento del sistema.
Areas de Aplicación
Procesamiento de Instrumentación/Control Voz/Audio Militar imágenesReconocimiento Análisis de reconocimiento comunicacionesDe Patrones espectros de voz segurasVisión Robótica Reducción ruido Síntesis del Habla Prosesamiento de
RadarMejora de imágenes Compresión de datos Texto a habla Procesamiento de SonarFacsimil Posición y Tasa Audio digital Guía de Proyectilesanimación control equalización
Telecomunicaciones Biomedica Aplicaciones al ConsumidorCancelación de Eco monitoreo de pacientes Telefonía móvilEcualización adaptativa escaners UMTS ADPCM trans-codificadores Mapeadores del cerebroEEG television digitalProliferación de espectro Análisis de ECG camaras digitalesVideo conferencias Almacenar/mejora RayosX telefonía por internet
etc.