Introducción a la Transmisión Digital y Conceptos Básicos. REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE” VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ Departamento de Ingeniería Electrónica Sección de Comunicaciones Introducción a la Transmisión Digital y Conceptos Básicos. Prof. Yusmary Cova

Sumario Introducción a la comunicación digital Señal analógico Señal digital Proceso de digitalización o conversión analógica-digital Técnicas de modulación uni-bit Modulación por conmutación de amplitud (ASK) Modulación por conmutación de frecuencia (FSK) Modulación por conmutación de fase (PSK) Técnicas de modulación multi-bit Manipulación del desplazamiento cuaternario de fase (QPSK) Modulación de amplitud en cuadratura (QAM)

Sumario Aspectos preliminares: Velocidad de transmisión, baudio, bits, ancho de banda de una señal, ancho de banda del canal, ancho de banda de Nyquist, capacidad del canal, relación señal/ruido, coeficiente de energía ruido, longitud de onda, limite de Shannon, multiplexión digital Perturbación en la transmisión Ruido Distorsión de retardo Atenuación y distorsión de atenuación Codificación de datos

Señal Analógico Señal Digital Son aquellas que están representadas por funciones que pueden tomar un numero infinito de valores en cualquier intervalo de tiempo. Señal Digital La señal digital son aquellas que están representadas por funciones que pueden tomar un cierto número finito de valores en cualquier intervalo de tiempo.

Proceso de digitalización o conversión analógica-digital La digitalización o conversión analógica-digital: Consiste básicamente en realizar de forma periódica medidas de la amplitud de una señal, redondear sus valores a un conjunto finito de niveles preestablecidos de tensión (conocidos como niveles de cuantificación) y registrarlos como números enteros en cualquier tipo de memoria o soporte. Xg(t) 1001011… X(n) Xq(n) Muestreador Cuantificador Codificador Conversor A/D Señal analógica Señal en tiempo discreto Señal cuantificada Señal digital

Proceso de digitalización o conversión analógica-digital Muestreo: el muestreo consiste en tomar muestras periódicas de la amplitud de onda. La velocidad con que se toma esta muestra, es decir, el número de muestras por segundo, es lo que se conoce como frecuencia de muestreo. Cuantificación: en el proceso de cuantificación se mide el nivel de voltaje de cada una de las muestras. Consiste en asignar un margen de valor de una señal analizada a un único nivel de salida.

Proceso de digitalización o conversión analógica-digital Codificación: la codificación consiste en traducir los valores obtenidos durante la cuantificación al código binario. Hay que tener presente que el código binario es el más utilizado, pero también existen otros tipos de códigos que también son utilizados.

Técnicas de modulación digital Las técnicas de modulación digital se caracterizan porque la portadora es una señal analógica y la modulante es una señal digital.

Técnicas de modulación digital ASK FSK PSK nQAM nPSK QPSK Se clasifican en: Técnicas de modulación uni-bit Técnicas de modulación multi-bit

Técnicas de modulación digital Codificación B [Hz] Baudios FSK Un bit ≥ fb fb BPSK QPSK Dibit fb/2 8PSK Tribit fb/3 8QAM 16PSK Cuatribit fb/4 16QAM

Ancho de banda del canal El ancho de banda de una canal de información no es mas que la diferencia entre la frecuencia máxima y mínima que pueden pasar por el canal. Ancho de banda de una señal El ancho de banda de una señal de información no es mas que la diferencia entre la frecuencia máxima y mínima contenidas en la información.

Ancho de Banda de Nyquist Si se tiene un canal exento de ruido. En ese entorno, la limitación en la velocidad de los datos está impuesta simplemente por el ancho de banda de la señal. Nyquist formalizó esta limitación, afirmando que si la velocidad de transmisión de la señal es 2B, entonces una señal con frecuencia no superior a B es suficiente para transportar esta velocidad de transmisión de la señal. C=2𝐵 log 2 𝑀 C=6,64𝐵 log 𝑀

Capacidad de información de un sistema de comunicación La capacidad de información es una medida del número de símbolos independientes que pueden enviarse por un sistema de comunicaciones por unidad de tiempo. Según la ley de Hartley, la capacidad de información esta dada por: Donde: I: Es la capacidad del canal de información del sistema B: Es el ancho de banda disponible (Hz) T: Línea de transmisión (s)

Limite de Shannon Una relación mucho más útil que la que formuló Hartley, es el Limite de Shannon. Esto es en forma de ecuación: 𝐼=𝐵 log 2 1+ 𝑆 𝑁 𝐼=3,32𝐵 log 10 1+ 𝑆 𝑁 Donde: I: Capacidad de información (bps) B: Ancho de banda (Hz). S/N: Relación señal a ruido (adimensional)

Longitud de onda La longitud de onda de la señal es la distancia que ocupa un ciclo completo de la señal que viaja a una velocidad "v". 𝜆= 𝑐 𝑓 Donde: c: Constante de la velocidad de la luz (3*10^8 m/s) f: Frecuencia de la señal

Velocidad de transmisión La velocidad de transmisión es la relación entre la información transmitida a través de una red de comunicaciones y el tiempo empleado para ello. Bit Razón de Bits: es la razón de cambio en la entrada del modulador y tiene como unidades bits por segundos (bps) Razón de Baudio: es la razón de cambio en la salida del modulador. Baudio

Coeficiente energía a ruido Se determina por: 𝐸 𝑏 𝑁 0 = 𝑆 𝑇 𝑏 𝑁 0 = 𝑆 1 𝑅 𝑁 0 = 𝑆 𝑁 0 𝑅 = 𝑆 𝐾𝑇𝑅 Donde: Eb = STb, S es la potencia de la señal y Tb es el tiempo necesario para enviar un bit. R=1/Tb. La velocidad de transmisión es k: es la constante de Boltzmann (1,380x10-23 J/°K)

Coeficiente energía a ruido Se puede expresar en dB: 𝐸 𝑏 𝑁 0 𝑑𝐵 = 𝑆 𝑑𝑏𝑊 −10 log 𝑅 −10 log 𝐾 −10 log 𝑇 𝐸 𝑏 𝑁 0 𝑑𝐵 = 𝑆 𝑑𝑏𝑊 −10 log 𝑅 +228,6𝑑𝐵𝑊−10 log 𝑇

Multiplexión digital La multiplexión es la transmisión de información proveniente de varias fuentes, a través de un mismo medio de transmisión a diferentes destinos.

Perturbaciones en la transmisión Las perturbaciones en una transmisión de señales analógicas o digitales es inevitable, pues existen una serie de factores que afectan a la calidad de las señales transmitidas por lo que nunca serán iguales a las señales recibidas. Las principales perturbaciones son: Ruido Distorsión de Retardo Atenuación

Codificación digital de señales. Es un código utilizado en un sistema de comunicaciones para transmisión. Los códigos en línea son frecuentemente usados para el transporte digital de datos. Estos códigos consisten en representar la señal digital transformando su amplitud respecto al tiempo.

Codificación digital de señales Los tipos de codificación digital más comunes son: No retorno a cero (NRZ). Bipolar-AMI. Pseudo-ternario. Manchester. B8ZS. HDB3.

Espectro de las codificaciones digitales

Actividad Complementaria. De los siguientes texto, resolver los ejercicios planteados: Tomasi, capitulo 12 Preguntas: 2, 4, 6, 9, 11, 13, 16, 19, 21, 25 Problemas: 1, 2, 3, 4, 5, 8, 10, 16, 19, 21 Stanllings, capitulo 3 Cuestionario: 6, 7, 8, 9 Ejercicios: 11, 12, 13, 14, 15, 16, 18, 19, 21

Gracias por su atención

Modulación por Conmutación de Amplitud (ASK) 𝑆 𝐴𝑆𝐾 𝑡 = 𝑃 𝑠 2 1+𝑏 𝑡 𝑆𝑒𝑛( 𝑤 𝑐 𝑡)

Modulación por Conmutación de Frecuencia (FSK) 𝑆 𝐴𝑆𝐾 𝑡 = 2 𝑃 𝑠 cos 𝑤 𝑐 𝑡+𝑏(𝑡)Ω

Modulación por Conmutación de Fase (PSK) 𝑆 𝐴𝑆𝐾 𝑡 =𝐴 cos 𝑤 𝑐 𝑡+𝑏(𝑡)

Ejemplo de ancho de banda de una señal.

Longitud de onda Ejemplo: La profundidad en el océano a la que se detectan las señales electromagnéticas generadas desde aeronaves crece con la longitud de onda. Por tanto, los militares encontraron que usando longitudes de onda muy grandes, correspondientes a 30 Hz, podrían comunicarse con cualquier submarino alrededor del mundo. La longitud de antena es deseable que sea del orden de la mitad de la longitud de onda. ¿Cuál debería ser la longitud típica de las antenas para operar a esas frecuencias? 𝜆= 𝐶 𝑓 = 10 7 𝑚 𝐿 𝑎𝑛𝑡 = 𝜆 2 =5000𝐾𝑚

Ejemplo de Razón de bits Si se tienen símbolos de 4 bits cada uno y la velocidad de transmisión de un módem de 2.400 baudios/seg, ¿cual es la razón de bits a la entrada del modem? 2400 X 4 = 9.600 bits/seg = 9.600 bps

Ruido El ruido es toda aquella señal que se inserta entre el emisor y el receptor de una señal dada. Hay diferentes tipos de ruido: ruido térmico debido a la agitación térmica de electrones dentro del conductor, ruido de intermodulación cuando distintas frecuencias comparten el mismo medio de transmisión

Distorsión de Retardo Debido a que en medios guiados, la velocidad de propagación de una señal varía con la frecuencia, hay frecuencias que llegan antes que otras dentro de la misma señal y por tanto las diferentes componentes en frecuencia de la señal llegan en instantes diferentes al receptor.

Atenuación La energía de una señal decae con la distancia, por lo que hay que asegurarse que llegue con la suficiente energía como para ser captada por la circuitería del receptor

Codificación digital NRZ. Características. Dentro de los códigos NRZ se establece una clasificación NRZ-L (No se retorna a nivel cero). Se considera que si el dato es un cero “0” este se representa con un nivel alto en cambio el uno “1” con un nivel bajo NRZ-I (No se retorna invertido). Si el bit de dato es un cero “0”, no hay transición al comienzo del intervalo y en cambio al enviar un uno “1” se produce una transición a nivel positivo o negativo.

Ejemplo de Codificación digital NRZ 1 NRZ - L NRZI +V

Codificación digital Bipolar ó AMI Características: Espectro el espectro de esta señal no tiene componente continua. Los “1” binarios se representan por medio de valores alternadamente negativos y positivos. El “0” binario se representa con un nivel cero. Ejemplo: 1 Bipolar - AMI +V -V

Codificación digital Pseudoternario. Características: El término pseudoternario se refiere al uso de tres niveles de señales codificadas para representar datos de dos niveles (binarios). Los “0” binarios se representan por medio de valores alternadamente negativos y positivos. El “1” binario se representa con un nivel cero. Espectro el espectro de esta señal no tiene componente continua.

Ejemplo Codificación digital Pseudoternario. 1 Pseudoternario +V -V

Codificación digital Manchester. Características. Siempre hay transición a la mitad del bit. Dentro de la codificación Manchester se establece una clasificación: Manchester: 0= transición de alto a bajo. 1= transición de bajo a alto. Manchester diferencial: 0=transición al principio del intervalo. 1=no hay transición al principio del intervalo

Ejemplo de Codificación digital Manchester. 1 Manchester Manchester Diferencial +V -V

Codificación de datos

Codificación digital B8ZS. Características: Esta basado en bipolar- AMI, con las reglas: Si aparece un octeto con todos ceros y el último valor de tensión anterior a dicho octeto fue positivo, codificar dicho octeto con 0 0 0 + - 0 - + Si aparece un octeto con todos ceros y el último valor de tensión anterior a dicho octeto fue negativo, codificar dicho octeto como 0 0 0 - + 0 + - B8ZS está basado en el antiguo método de codificación llamado Alternate Mark Inversion ( AMI).

Ejemplo Codificación digital B8ZS. 1 AMI B8ZS V B B: señal bipolar valida. V: violación de código

Codificación digital HDB3 El código HDB3 es un buen ejemplo de las propiedades que debe reunir un código de línea para codificar en banda base: El espectro de frecuencias carece de componente continua y su ancho de banda está optimizado. El sincronismo de bit se garantiza con la alternancia de polaridad de los "unos", e insertando impulsos de sincronización en las secuencias de "ceros". En HDB3 se denomina impulso a los estados eléctricos positivos o negativos, distintos de "cero". (0 voltios).

Codificación digital HDB3. Regla de sustitución en HDB3

Ejemplo Codificación digital HDB3. 1 AMI HDB3 V B B: señal bipolar valida. V: violación de código