Sistemas de Transmisión Digital

Sistemas de Transmisión Digital
Dpto. Señales, Sistemas y Radiocomunicaciones Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación Universidad Politécnica de Madrid

Índice del tema Modelo de sistema de transmisión
Comparación transmisión analógica vs. digital Casos de estudio Sistema de transmisión por fibra óptica Radioenlace digital Transmisión digital por satélite Otros sistemas de transmisión

Modelo de Sist. de Trx. Digital
Esquema general: Transmisor (Tx): Genera la señal física que se transmite a partir de la señal de información (analógica o digital). Receptor (Rx): Recupera la señal de información a partir de la señal física recibida. Se caracteriza fundamentalmente por requerir a su entrada: una relación señal a ruido mínima (s/n)min potencia de señal mínima (sensibilidad (smin)) Medio de transmisión: Medio por el que se propaga la señal. Amplicador (A): Amplicador de señal como los usados en sistemas analógicos. Regenerador (Rg): Convierte la señal física transmitida en una señal digital y vuelve a generar la señal física. Para ello incluye fundamentalmente una pareja demodulador-modulador digital.

smin (s/n)min

Componentes transmisor/receptor: Conversores A/D - D/A Codificador-decodificador de fuente Codificador-decodificador de canal: introducen redundancia en la señal digital para hacer más robusta su transmisión

Tipos de cadenas de Trx. Tipos de cadenas de transmisión: simple, con amplificadores, con regeneradores, y mixta

Receptor PAM en Banda Base
α = 0 Se transmiten pulsos del tipo: si(t) = Ai g(t) siendo g(t) pulsos con espectro en RCCA α = 1 Hz 1 2𝑇𝑠 1 𝑇𝑠 g(t) (Optimiza s/n) (Minimiza IES) t Receptor PAM en Banda Base

Receptor PAM b Hz 1 2𝑇𝑠 1 𝑇𝑠 α = 0 α = 1

Receptor DBL Se transmiten pulsos del tipo:
sij(t) = Aij g(t) cos wt + Bij g(t) sen wt siendo g(t) pulsos con espectro en RCCA Receptor M-QAM

Receptor DBL Válido para las constelaciones M-QAM y otras modulaciones con espectro en DBL

Eficacia de una modulación
Características de técnica modulación-técnica detección son: Probabilidad de error de bit en función de: relación señal a ruido en el receptor: PE = f(s/n) cociente entre energía media por señal Es y densidad espectral de ruido No: PE = f(Es / No) cociente entre energía media de bit, Eb y y densidad espectral de ruido No: PE = f(W = Eb/No) Ancho de banda utilizado b Pe s/n

Eficacia de una modulación

Codificación de canal Pe Pe, CC Umbral

Regeneradores Pueden producir información errónea por:
Generación de información incorrecta Errores en la detección Supresión o inserción de símbolos Errores en la temporización, provocando fluctuación de fase que limita el número de regeneradores que se pueden conectar en cascada

Parámetros de calidad Transmisor Receptor

Comparación transmisión analógica vs. digital
Mayor robustez frente al ruido y otras perturbaciones Mayor flexibilidad en la compartición del canal Independencia de los equipos del tipo de señal Mayor flexibilidad y, con frecuencia, eficacia, en el uso del canal

1. Mayor robustez frente a ruido y otras perturbaciones
En transmisión analógica, la S/N se deteriora progresivamente La potencia de ruido aumenta proporcionalmente al número Nr de secciones de repetición Considerando sólo ruido de los amplificadores:

En transmisión digital se usan regeneradores que eliminan una buena parte de la degeneración Considerando Nr secciones de regeneración y un enlace de longitud total d, cada sección será de longitud d/Nr El parámetro a considerar ahora es PE la para una sección de longitud d, o Nr secciones de longitud d/Nr: ya que: PE = 1 – PNE; PNE = (1 – PE)Nr

1. Mayor robustez

2. Mayor flexibilidad en la compartición del canal
En transmisión analógica se suele utilizar MDF En telefonía, por ejemplo, se aprovechan 3,1 de los 4 kHz (banda de guarda del 22,5%) En transmisión digital se suele usar MDT, sin bandas de guarda Se aprovecha todo el canal, en su máxima velocidad binaria

3. Independencia de los equipos del tipo de señal
En transmisión analógica se necesitan equipos específicos para cada señal (ancho de banda, rango dinámico, etc.) En transmisión digital se usa equipamiento informático, salvo en las últimas etapas de transmisión (tras el modulador)

4. Mayor flexibilidad y eficacia en el uso del canal
En transmisión analógica el ancho de banda de trabajo debe ser mayor que el de la señal de trabajo (vídeo, audio, etc.) En transmisión digital se necesita que el codificador de fuente sea capaz de transmitir la señal usando el canal disponible Según Shannon: [bits/seg]

Ejercicio 5.1

Transmisión por F.O. La F.O. es el medio de transmisión por excelencia
Dos tipos de receptores: No coherentes: basados en detección de envolvente (los tradicionales) Coherentes: tienen en cuenta la λ Sólo se estudiaran los sistemas con detección NO COHERENTE

Transmisión por F.O. Uso de la F.O.:
Enlaces troncales de mediana y gran capacidad de las grandes redes de comunicaciones (hasta varios Gb/s que transportan señales múltiplex SDH) Accesos de abonado de gran capacidad (para servicios de telefonía, videotelefonía y distribución de TV principalmente)

Transmisión por F.O. Dos modalidades de accesos de abonado de gran capacidad Fibra hasta el abonado Fibra hasta el edificio (seguida de distribución hasta las viviendas por línea metálica o radio)

Estructura de modulador y demodulador

Aleatorizador Modifica la secuencia de bits de entrada eliminando largas cadenas de símbolos iguales (que dificultaría la recuperación del reloj) No añade redundancia (es decir, no aumenta la velocidad binaria) Con un buen codificador de línea puede ser innecesario

Codificador de línea Modulador PAM con memoria
Genera una señal particularmente apta para su transmisión física por un medio concreto y para la recuperación del reloj de símbolo

Codificador de línea Estos códigos se denominan MB/NB
Consta de dos etapas: En la primera asocia a cada palabra binaria de entrada de M bits una palabra binaria de salida de N bits (N>M) En la segunda asocia un pulso positivo a cada bit 1, y uno nulo a cada bit 0 Estos códigos se denominan MB/NB

Codificador de línea La misión de los códigos MB/NB es:
Eliminar largas secuencias de símbolos iguales, para: Conseguir un funcionamiento uniforme de la fuente luminosa Facilitar la extracción del reloj Detectar algunos errores

Codificador de línea Ejemplo: Código 5B/6B
La asignación depende del estado del codificador La transición entre estados varía con la disparidad d en el código de salida: d = Nº de 1 – Nº de 0

Codificador de línea

Conversor e/o Convierte señales eléctricas en luminosas Dos tipos:
Diodo electroluminiscente (LED) Sencillos y baratos Con poca definición espectral (Δλ alto: decenas nm) Baja potencia emitida ( < -6 dBm) Diodo láser (LD) Más caros y complejos Mayor pureza espectral (Δλ pequeño: décimas de nm) Mayor potencia emitida ( > -6 dBm)

Conversor e/o Parámetros característicos:
Longitud de onda de emisión: λ (media de las emitidas) Anchura espectral al 50%: Δλ Potencia emitida: Pop [dBm] Margen de seguridad: MS (reducción en Pop por envejecimiento, ruido modal y degradaciones en los repetidores o en la fibra)

Conversor o/e Convierte señales ópticas en eléctricas Dos tipos:
Coherentes: tienen en cuenta la frecuencia o la fase de la señal luminosa No coherentes: detectores de envolvente. Son los estudiados en este tema. Dos tipos: Diodos PIN: la luz incide en la zona Intrínseca I (entre la P y la N), generando corriente eléctrica Diodos APD (foto-avalancha): es un diodo PIN sometido a un campo eléctrico externo que amplifica la corriente generada P I N

Conversor o/e Se caracterizan por los siguientes parámetros:
Corriente de oscuridad ios [A]: corriente de ruido debida a la polarización de los diodos Factor de multiplicación M: amplificación en los diodos APD (vale 1 en los PIN) Responsividad r [A/W]: cociente entre la corriente producida is (para M = 1) y la potencia óptica incidente pop

Conversor o/e Cálculo de is en función de pop:

Ruido en el receptor óptico
El modelo de receptor óptico considerado es: Introducen ruido: El diodo (ruido granalla): {ig2} [A2/Hz] La resistencia (ruido térmico) {it2} [A2/Hz] El amplificador, con densidad espectral de tensión de ruido {va2} [v2/Hz]

El valor cuadrático medio de la tensión de ruido total a la salida del filtro valdrá: asumiendo que se suman en potencia todas las contribuciones

Amplificadores ópticos: EDFA
Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA) Sección de unos 10 m de fibra dopada con Er+3 Se bombea a la entrada del EDFA para que los iones Er+3 pasen a un estado energético superior con: Laser de alta potencia ( mw) λ = 980 nm o 1480 nm Los fotones de la señal al pasar interactúan con los iones Er+3 generando nuevos fotones de igual frecuencia (amplificación) Producen ruido debido a que algunos iones liberan fotones al pasar a su espontáneamente a su estado de reposo (Amplified Spontaneous Emission) -> Ruido ASE

Caracterización del ruido ASE: donde: ηASE es la densidad de potencia óptica de ruido h es la cte de Planck (h = 6, J.s) g es la ganancia del amplificador υ es la frecuencia de la señal

Conexión en cascada de EDFAs. El ruido generado por los amplificadores se suma en potencia donde: η'ASE es la densidad de potencia óptica de ruido a la salida de la cadena

En el receptor óptico, el ruido ASE genera una corriente de ruido, después de la multiplicación, cuya densidad espectral del valor cuadrático medio, {i2ASE}, es: donde: r es la responsividad del receptor pop es la potencia óptica recibida de la señal Por tanto, se genera una tensión de valor cuadrático medio después de amplificación y filtrado

Por tanto, el valor cuadrático medio de tensión de ruido total será: Es decir, es una función de is

Cálculo de la PE Para determinar la probabilidad de error resultante PE es necesario calcular las tensiones en los instantes de muestreo cuando se recibe un “1” y un “0”:

Cálculo de la PE Diseño para PE ≈ 10-9: ya que:

Cálculo de la PE Diseño para PE ≈ 10-9: v [V]

Cálculo de la PE Diseño para PE ≈ 10-9: t/σ

Cálculo de la PE Diseño para PE ≈ 10-9:

Cálculo de la PE Diseño para PE ≈ 10-12:

Sensibilidad del receptor
Se define la sensibilidad del receptor (S0 [dBm]) como la pop mínima recibida en el instante de muestreo necesaria para alcanzar la probabilidad de error de referencia Si existe algún problema (IES, reflexiones, etc.), éste se puede compensar hasta cierto punto mediante igualación o aumentando la potencia transmitida hasta alcanzar la probabilidad de error objetivo Este incremento de potencia se denomina I (Improvement), antiguamente “penalización por interferencia entre símbolos - IES”)

El incremento en potencia I antes sólo consideraba los fenómenos de interferencia entre símbolos En los cálculos actuales incluye ya cualquier fenómeno: interferencia, no linealidades, reflexiones de señal, etc.

La potencia mínima teniendo en cuenta este factor de corrección se denomina sensibilidad efectiva del receptor (S [dBm]): siendo I la penalización en potencia

Cálculo de la sección de regeneración
Se tiene que tomar el mínimo de: La limitación por potencia (que se oiga) La limitación por dispersión (que se entienda) La limitación por efectos no lineales

Limitación en potencia
La potencia recibida debe ser superior a la sensibilidad efectiva del receptor:

Limitación en dispersión
Al emitirse un pulso Gaussiano de campo eléctrico en z = 0 (en el extremo del transmisor) se tiene: donde: T0 es la anchura del pulso k es el factor de chirp k < 0 k > 0

Limitación en dispersión
Aplicando las ec. de Maxwell, se obtiene una dispersión a una distancia z: donde: Vω= 2 σωσλ σω es la anchura RMS espectral de la fuente σ0 es la anchura RMS del pulso de entrada σλ=Δλ / 2,35 siendo β la constante de fase Por tanto, al viajar el pulso por la fibra: signo (β2) ≠ signo (k) el pulso primero se comprime y luego se ensancha signo (β2) = signo (k) el pulso siempre se ensancha

Diseño con fuentes de gran ancho espectral
No se considera chirp en la fuente (caso peor) y se cumple: Criterios de diseño: σz ≤ 0,498 Tb, siendo Tb = Rb-1 el tiempo de bit PP (Power Penalty) = 2 dB Para la fibra G.652, con σλ = 1 nm y λ = nm el criterio se puede expresar:

Diseño con fuentes casi monocromáticas
No se considera chirp en la fuente (caso peor) y se cumple: Criterios de diseño: σz ≤ 0,498 Tb, siendo Tb = Rb-1 el tiempo de bit PP (Power Penalty) = 2 dB Para la fibra G.652, con σλ = 1 nm y λ = nm el criterio se puede expresar:

Limitación por efectos no lineales
Los efectos no lineales aparecen como consecuencia de la variación de n con la potencia óptica Para evitar los efectos no lineales, dado un determinado enlace de fibra, la potencia incidente en p(z = 0) tiene que cumplir: donde: p(0) es la potencia en unidades naturales al inicio de la fibra Le es la longitud efectiva del tramo de fibra U es el umbral determinado según el tipo de fibra usado

Limitación por efectos no lineales
Dado un tramo de longitud L, para determinar Le se resuelve: donde p(z) es la potencia en la fibra α es la atenuación de la fibra en Np/km, donde 1 Np/km = 4,3 dB/km Por tanto: y para distancias grandes se puede aproximar Por ejemplo, para α = 0,22 dB/km -> Le ≈ 19,5 km

Problema 5.2

Problema 5.3

Radioenlace digital

Radioenlace digital Principal diferencia entre la transmisión terrestre por radio y la transmisión por línea: variabilidad del medio de transmisión por las condiciones atmosféricas Esto se maniesta en dos tipos de fenómenos: Aumento de la atenuación en presencia de lluvias (principalmente para frecuencias de transmisión por encima de 10 GHz). Aumento de la atenuación por multitrayecto. . El aumento temporal de la atenuación del medio por alguna de estas causas se denomina desvanecimiento.

Radioenlace digital La principal arma frente a los desvanecimientos es la diversidad: La misma señal se envía modulada con distintas frecuencias portadoras (diversidad en frecuencia), O por distintos caminos físicos (diversidad de espacio) con el objetivo de que al menos una de las señales llegue en cada momento con la calidad suficiente

Radioenlace digital A pesar del uso de diversidad, un sistema capaz de funcionar adecuadamente durante los desvanecimientos más fuertes resultaría muy costoso Por ello, el sistema se diseña de forma que el tiempo fuera de servicio por desvanecimiento sea inferior a un valor determinado Valores típicos: varios minutos como máximo cada año, y varios segundos como máximo por semana

Radioenlace digital Una cadena de transmisión basada en radioenlaces puede incluir repetidores pasivos y/o activos para salvar obstáculos Los repetidores pasivos consisten en una simple superficie reflectante, o en un par de antenas parabólicas unidas por una guía-onda metálica Un repetidor pasivo de este tipo se caracterizará por la ganancia de sus antenas y por la atenuación en la guíaonda Los repetidores activos incluyen amplificación, y a veces regeneración

Radioenlace digital

Estructura de Tx y Rx (típicamente entre 17,8 y18,1) fr espacio

Codificador de canal Suele incluir tres etapas:
Aleatorizador: para evitar las largas cadenas de ceros y otras señales con estructura determinista Codificador de redundancia: para proteger frente a errores de transmisión Entrelazado: protege frente a las ráfagas de errores. Una técnica muy simple consiste en utilizar una memoria tampón en forma de matriz

Codificador de canal Entrelazado

Esquema de diversidad Selección
Existen dos esquemas de selección: Selección por conmutación: El selector es un conmutador que elige la señal recibida con mejor calidad Selección por combinación: Se realiza una combinación lineal de las señales recibidas, a través de filtros variables que intentan maximizar la calidad de la señal así generada

Ruido en el receptor

Margen de desvanecimiento
Para determinar si la longitud de una sección de regeneración (también denominada longitud de vano), y una potencia de transmisión determinadas permiten la operación con la calidad deseada hay que considerar no sólo las condiciones de transmisión habituales, sino también los casos de desvanecimiento

Margen de desvanecimiento

Problema 5.4

Problema 5.5

Perturbaciones específicas en radiodifusión
Aparecen dos tipos nuevos de perturbaciones: Interferencia cocanal (ICC): ocasionada por transmisores que operan en el mismo canal

Interferencia de canal adyacente (ICA): Se produce cuando la energía transmitida de un canal desborda a canales próximos en el espectro

La robustez de un receptor se mide por los siguientes parámetros de calidad: Relación de protección para ICC: RPICC [dB]=(Pot.señal.deseada - Pot.señal.interferenteCC)min Relación de protección para ICA: RPICA [dB]=(Pot.señal.deseada - Pot.señal.interferenteCC)min donde “min” hace alusión al valor mínimo de la relación que garantiza el funcionamiento correcto del enlace

Acceso móvil digital La transmisión de telefonía móvil también emplea un radioenlace usando un medio común, la atmósfera, para realizar la emisión y recepción El principal reto es la eficiencia en el uso del espectro La técnica utilizada es la doble multiplexación (en tiempo y frecuencia):

Acceso móvil digital Para lograr la eficiencia se divide la zona de cobertura en células A cada célula se le asigna un número de canales Al terminal móvil se le asigna un canal que cambia al cambiar de célula (permitiendo reutilización de canales)

Acceso móvil digital El número de canales que se puede utilizar en cada célula viene limitado por la ICC Para evitarlo, se reparten los canales entre células respetando una distancia mínima entre estaciones que usan un mismo canal Aproximando las células por círculos de radio R, si se emite una potencia p por estación, la distancia mínima Dmin entre dos estaciones que comparten canal es:

Acceso móvil digital Donde α = 2 en espacio libre, y α > 2 en multitrayecto k depende de la antena, la frecuencia y otros factores Por tanto, con esta aproximación una frecuencia puede ser utilizada tantas veces como círculos de radio Dmin/2 quepan en la zona de cobertura

Acceso móvil digital Sistemas de telefonía:
GSM (Global System for Mobile Communications, inicialmente Groupe Spécial Mobile), instalado en Europa y otros 65 países más. Conmutación de circuitos GPRS (General Packet Radio Service). Generación 2.5. Por paquetes UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). Generación 3.0. Ofrece mayores velocidades y transmisión de datos HSDPA / HSUPA (High-Speed Downlink/Uplink Packet Access). Es la 4º generación, ofrece más velocidad

Radiodifusión digital terrestre
En una red de radiodifusión se pretende minimizar los factores de coste, que deben ser minimizados para ahorrar en la transmisión realizada: Número de frecuencias por cada señal o múltiplex (para evitar interferencias los transmisores deben emitir en diferentes frecuencias) Número de transmisores y coste unitario de los mismos Potencia transmitida

Paso de analógico a digital Se produce la digitalización de la difusión terrenal de TV y radio para reducir el espectro empleado por estos servicios y utilizarlo de manera más eficiente Además de la eficiencia del espectro, los sistemas digitales son más robustos frente a perturbaciones intrínsecas del medio, como las anteriormente comentadas ICC e ICA La minimización de la ICC hace que se limite el número de transmisores de un determinado territorio para evitar que empleen mismas frecuencias a distancias similares de un mismo receptor

Paso de analógico a digital El 3 de Abril de 2010 se hizo el paso de la televisión analógica convencional a la TDT (apagón analógico) En cada canal de 8MHz, donde únicamente cabía un único canal/programa de televisión, ahora se introduce un múltiplex de hasta 19,91Mbps, donde se pueden introducir: Varios canales de definición estándar (SD) 1 (o más) canal de alta definición (HD) Canales de radio Canales de datos

Paso de analógico a digital Dividendo digital: se pretende liberar los canales 60 a 39 de UHF para telefonía móvil

Bucle de abonado digital
Bajo las siglas xDSL se agrupan un conjunto de tecnologías que, utilizando códigos de línea y técnicas de modulación adecuados, permiten transmitir regímenes de datos de alta velocidad sobre el par trenzado telefónico, sin interferir con el canal de voz

Bucle de abonado digital

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