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• Elioth Rivera

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PRINCIPIOS BASICOS DE LAS TELECOMUNICACIONES

INTRODUCCION Comunicaciones electrónicas es la transmisión, recepción y procesamiento de información usando circuitos electrónicos. La información se define como el conocimiento, la sabiduría o la realidad y puede ser en forma analógica (proporcional o continua) tal como la voz humana, información sobre una imagen de video o música, o en forma digital (etapas discretas), tales como números codificados en binario, códigos alfanuméricos, símbolos gráficos, códigos operacionales del microprocesador o información de base de datos

Toda la información debe de convertirse a energía electromagnética, antes de que pueda propagarse por un sistema de comunicaciones electrónicas.

Un diagrama a bloques simplificado de un sistema de comunicaciones electrónicas mostrando la relación entre la información de la fuente original, el transmisor, el medio de transmisión (conductor), el receptor, y la información recibida en el destino es mostrada en la siguiente figura.

Un sistema de comunicaciones consiste de tres secciones primarias: a)

b) c)

Transmisor Medio de Transmisor Receptor

electrónicas

Transmisor: Convierte la información original de la fuente a una forma mas adecuada para la transmisión. Medio de Transmisión: Proporciona un medio de conexión entre el transmisor y el receptor, esto puede ser: Conductor Metálico, Fibra Óptica, Espacio Libre).

Receptor: Convierte la información recibida a su forma original y la transfiere a su destino. La información original puede originarse de una variedad de fuentes diferentes y ser de forma analógica o digital.

Cuando se transmite información a partir de muchas fuentes sobre un medio de transmisión común, la información debe combinarse en una señal de información compuesta sencilla. El proceso de combinar la información en una señal de información compuesta se le llama multicanalización y el proceso de separar la información se le llama desmulticanalización.

Existen dos tipos básicos comunicaciones electrónicas: a) b)

Analógicas Digitales

de

sistemas

de

Sistema de Comunicación Analógico: Sistema en el cual la energía electromagnética se transmite y recibe en forma analógica (una señal variando continuamente tal como una onda senoidal). Los sistemas de radio comerciales emiten señales analógicas. Sistema de Comunicación Digital: Sistema en el cual la energía electromagnética se transmite y recibe en forma digital (niveles discretos tal como +5V y tierra). Los sistemas binarios utilizan señales digitales que solo tienen dos niveles discretos.

MODULACIÓN/DEMODULACIÓN Con las comunicaciones de radio, es necesario superponer una señal de inteligencia de frecuencia relativamente baja a una señal de frecuencia relativamente alta para la transmisión.

En los sistemas de comunicaciones electrónicas analógicas, la información de la fuente (señal de información) actúa sobre o modula una señal senoidal de frecuencia sencilla. Modular simplemente significa variar, cambiar o regular.

La información de la fuente de frecuencia relativamente baja se llama señal de modulación, la señal de frecuencia relativamente alta, sobre la cual se actúa (modulada) se llama la portadora, y la señal de frecuencia resultante se llama la onda modulada o señal.

Con los sistemas de comunicaciones analógicas, la modulación es el proceso de variar o cambiar alguna propiedad de una portadora analógica de acuerdo con la información original de la fuente.

La demodulación es el proceso de convertir los cambios en la portadora analógica a la información original de la fuente. La modulación se realiza en el transmisor, en el circuito llamado modulador, y la demodulación se realiza en el receptor, en el circuito llamado demodulador.

La señal de información que modula la portadora principal se llama señal de banda base o simplemente banda base. Las señales de banda base se convierten en frecuencia alta en el transmisor y se convierten en frecuencia baja en el receptor. La traslación de frecuencia es el proceso de convertir una frecuencia sencilla o una banda de frecuencia a otra ubicación en el espectro de la frecuencia total.

El termino canal es comúnmente utilizado cuando se refiere a una banda especifica de frecuencias distribuidas, para un servicio en particular o transmisión. Por ejemplo: un canal estándar de banda de frecuencia para voz ocupa un AB de 3KHz y se utiliza para la transmisión de señales de voz de calidad. Un canal de RF se refiere a una banda de frecuencia usadas para propagar señales de radiofrecuencia, tal como un canal sencillo y comercial de emisión FM que ocupa aproximadamente, una banda de frecuencias de 200KHz dentro de la banda total de 88 a 108MHz.

La expresión general para una onda senoidal variante con el tiempo de voltaje, tal como una portadora analógica se expresa como:

Tres propiedades variadas: a) Amplitud b) Frecuencia c) Fase

de una onda senoidal pueden ser (Amplitud Modulada AM) (Frecuencia Modulada FM) (Fase Modulada PM)

Diagrama a bloques simplificado de un sistema de comunicaciones que muestra la relación entre la señal de modulación (información), la señal modulada (portadora), onda modulada (resultante) y el ruido del sistema.

¿Porque es necesario Modular? a)

Es extremadamente difícil radiar señales a frecuencias bajas por la atmosfera de la tierra en forma de energía electromagnética.

b)

Las señales de información frecuentemente ocupan la misma banda de frecuencia y, si son transmitidas en su forma original, interferirán.

ESPECTRO ELECTROMAGNETICO El propósito de un sistema de comunicaciones electrónica es comunicar información entre dos o mas ubicaciones. Esto se logra convirtiendo la información de la fuente original a energía electromagnética y después transmitiendo la energía a uno o mas destinos, en donde se convierte de nuevo a su forma original. La energía electromagnética puede propagarse en varios modos: a) Voltaje/Corriente cable metálico. b) Ondas de radio emitidas por el espacio libre c) Ondas de Luz por F.O.

El espectro de frecuencias electromagnéticas total que muestra las localizaciones aproximadas de varios servicios dentro de la banda se muestra:

El espectro de frecuencia se extiende desdelas frecuencias subsónicas a los rayos cósmicos. Cada banda de frecuencia tiene una característica única que la hace diferente de las otras bandas.

Cuando se trata de ondas de radio, es común usar las unidades de la longitud de onda en vez de la frecuencia. La longitud de onda es la longitud que un ciclo de una onda electromagnética ocupa en el espacio (es decir, la distancia entre los puntos semejantes en una onda repetitiva). La longitud de onda es inversamente proporcional a la frecuencia de la onda y directamente proporcional a la velocidad de propagación.

La relación entre la frecuencia, velocidad y longitud de onda se expresa matemáticamente como:

Ejemplo: Determine la longitud de onda para las siguentes frecuencias: (a)1KHz, (b) 100KHz y (c) 10MHz.

FRECUENCIA DE TRANSMISIÓN El espectro total de la frecuencia electromagnética esta dividido en subsectores o bandas. Cada banda tiene un nombre y limites. Por ejemplo, la banda de radiodifusión de FM comercial se extiende de 88 a 108MHz.

La división general del espectro de frecuencia totalmente utilizable se decide en las Convenciones Internacionales de Telecomunicaciones, las cuales son realizadas aproximadamente cada 10 años.

El espectro de frecuencias de radio (RF) totalmente utilizable se divide en bandas de frecuencia mas angosto, las cuales son asignadas con nombres descriptivos y números de banda. Varias de las bandas se dividen en diversos tipos de servicios, tales como una búsqueda a bordo de un barco, microondas, satélites, búsqueda móvil basado en tierra, navegación de barco, aproximación de aeronaves, detección de superficie de aeropuerto, clima desde aeronaves, teléfono móvil y mucho mas.

ANCHO DE BANDA Y CAPACIDAD DE INFORMACIÓN Las dos limitaciones mas significativas en el funcionamiento del sistema de comunicaciones son: a) b)

Ruido AB

El AB de banda de un sistema de comunicaciones es la banda de paso mínima (rango de frecuencia) requerida para propagar la información de la fuente a través del sistema.

La capacidad de información de un sistema de comunicaciones es una medida de cuanta información de la fuente puede transportarse pro el sistema, en un periodo dado de tiempo. La cantidad de información que puede propagarse a través de un sistema de transmisión es un función del AB del sistema y el tiempo de transmisión.

La relación entre el AB, tiempo de transmisión y capacidad de información, según la ley de Hartley es:

Se requiere aproximadamente 3KHz de AB para transmitir señales telefónicas con calidad de voz. Se requieren mas de 200KHz de AB para la transmisión de FM comercial de música de alta fidelidad y se requieren de 6MHz de AB para las señales de televisión con una calidad de radio fusión.

MODOS DE TRANSMISIÓN Los sistemas de comunicaciones electrónicas pueden diseñarse para manejar la transmisión solamente en una dirección, en ambas direcciones pero solo uno a la vez, o en ambas direcciones al mismo tiempo. Estos sistemas se llaman modos de transmisión, siendo: a) b) c) d)

Simplex Half Duplex Full Duplex Full/Full - Duplex

SIMPLEX (SX) Las trasmisiones pueden ocurrir solo en una dirección, los sistemas simplex son, algunas veces, llamados sistemas de un sentido, solo para recibir o solo para transmitir. Una ubicación puede ser un transmisor o un receptor, pero no ambos.

HALF – DUPLEX (HDX) Las transmisiones pueden ocurrir en ambas direcciones, pero no al mismo tiempo. A los sistemas half-duplex, algunas veces se les llaman sistemas con alternativa de dos sentidos, cualquier sentido, o cambio y fuera. Una ubicación puede ser un transmisor y un receptor, pero no los dos al mismo tiempo.

FULL – DUPLEX (FDX) Las transmisiones pueden ocurrir en ambas direcciones al mismo tiempo. A los sistemas de fullduplex algunas veces se les llama líneas simultanea de doble sentido, duplex o de ambos sentidos. Una ubicación puede transmitir y recibir simultáneamente; sin embargo, la estación a la que esta transmitiendo también debes ser la estación de la cual esta recibiendo.

FULL/FULL – DUPLEX (F/FDX) Es posible transmitir y recibir simultáneamente, pero no necesariamente entre las mismas dos ubicaciones (es decir, una estación puede transmitir a una segunda estación y recibir de una tercera estación al mismo tiempo). Las transmisiones F/FDX se utilizan casi exclusivamente con circuitos de comunicaciones de datos.

ARREGLOS DE CIRCUITOS Los circuitos de comunicaciones electrónicas pueden configurarse de varias maneras, a estas configuraciones se les llama arreglos de circuitos, pueden ser: a)

b)

Transmisión a dos hilos Transmisión a cuatro hilos

TRANSMISIONES CON DOS HILOS La transmisión a dos hilos contiene dos cables (uno para la señal y uno para la referencia o tierra física), o una configuración de circuito que es equivalente a solo dos cables. Los circuitos a dos hilos son idealmente adecuados para la transmisión simplex, aunque puede usarse para la transmisión de half-duplex y full duplex.

TRANSMISIONES A CUATRO HILOS Las transmisiones a cuatro hilos consiste de cuatro cables. Los circuitos de cuatro hilos están idealmente hechos para la transmisión full-duplex. Un circuito de cuatro hilos equivale a dos circuitos de dos hilos, uno para cada dirección de transmisión. Con operación a cuatro hilos, el transmisor en una ubicación se conecta a través de un medio de transmisión al receptor en la otra ubicación y viceversa, de este modo, los transmisores y receptores en cierta ubicación se pueden operar completamente independiente uno del otro.

Ventajas de las transmisiones a cuatro hilos: a)

Son considerados menos ruidosos

a)

Proporcionan mas aislamiento entre las dos direcciones de transmisión cuando se utiliza una operación ya sea de Half-Duplex o Full Dupex.

HIBRIDOS Y SUPRESORES DE ECO Cuando un circuito de dos hilos se conecta a un circuito de cuatro hilos, como en una llamada telefónica de larga distancia, un circuito de interface llamado hibrido o conjunto terminante se utiliza para lograr el afecto de la interface. El conjunto hibrido se usa para igualar impedancias y lograr aislamiento entre las dos direcciones del flujo de señal.

La bobina hibrida compensa las variaciones de impedancia en la porción de dos hilos del circuito. Los amplificadores y atenuadores ajustan los voltajes de la señal a los niveles requeridos, y los ecualizadores compensan los deterioros en la línea de transmisión que afectan la respuesta a la frecuencia de la señal transmitida, tal como la inducción de línea, capacitancia y resistencia.

Si la impedancias de la línea de dos hilos y la red balancea no son acoplados, los voltajes inducidos en los secundarios de la bobina hibrida no se cancelaran completamente. Este desbalanceo ocasiona que una parte de la señal recibida sea regresada al emisor en la porción O-E del circuito de cuatro hilos. La parte regresada de la señal será escuchada como un ECO por el que habla y, si el retardo del viaje redondo de esta señal excede aproximadamente 45ms, el eco puede ser muy irritante.

Para eliminar el eco, los aparatos llamados supresores de eco se insertan en un lado del circuito de cuatro hilos.

Los portadores comunes de larga distancia, normalmente colocan supresores de eco en circuitos de cuatro hilos que exceden 1500 millas eléctricas de longitud.

ANALISIS DE SEÑALES Cuando se diseña los circuitos para comunicaciones electrónicas, frecuentemente es necesario analizar y predecir el funcionamiento del circuito basándose en la distribución de potencia y composición de frecuencia de la señal de información. Aunque todas las señales en las comunicaciones electrónicas no son ondas senoidales con una frecuencia sencilla o una onda cosenoidales, muchas si lo son, y las señales que no lo son se pueden representar por una serie de funciones seno o coseno.

SEÑALES SENOIDALES El análisis de señales es el análisis matemático de la frecuencia, el ancho de banda y el nivel de voltaje de una señal. La señales eléctricas son variaciones de voltaje (o corriente) con respecto al tiempo que pueden representarse por una serie de onda seno o coseno. La forma de onda de un voltaje de frecuencia sencilla de voltaje o de una corriente es:

Si una función seno o coseno se usa para representar una señal, esto es totalmente de manera arbitraria y depende de cual fue elegida como referencia. De este modo debe observarse que:

Forma de onda repetitiva de frecuencia sencilla.

Una forma de onda se llama onda periódica porque se repite en un rango uniforme (es decir, cada ciclo sucesivo de la señal tiene exactamente la misma duración de tiempo y exactamente las mismas variaciones de amplitud que cualquier otro ciclo, cada ciclo tiene exactamente la misma forma) Las ondas periódicas pueden analizarse ya sea en el dominio del tiempo o en el dominio de la frecuencia. Cuando se analiza el funcionamiento de un sistema es frecuentemente necesario cambiar del dominio de tiempo al dominio de la frecuencia.

DOMINIO DEL TIEMPO Un osciloscopio estándar es un instrumento de dominio del tiempo. La pantalla en el tubo de rayos catódicos CRT despliega una representación de una amplitud contra el tiempo de la señal de entrada y se le suele llamar una forma de onda de una señal. Una forma de onda de una señal muestra la forma y la magnitud instantánea de la señal, con respecto al tiempo, pero no necesariamente indica su contenido de frecuencia.

DOMINIO DE LA FRECUENCIA Un analizador de espectro es un instrumento de dominio de la frecuencia. Ninguna forma de onda se muestra en el CRT, se muestra una grafica de la amplitud contra la frecuencia (esto se llama un espectro de frecuencia).

ONDAS PERIODICAS NO SENOIDALES (ONDAS COMPLEJAS) Cualquier forma de onda repetitiva que consiste de mas de una onda seno o coseno es una onda no senoidal u onda periódica compleja. Para analizar una forma de onda periódica compleja, es necesario utilizar las series de Fourier.

SERIES DE FOURIER Se usan en el análisis de señales para representar a los componentes senoidal de una forma de onda periódica no senoidal (es decir, cambiar una señal en el dominio del tiempo a una señal en el dominio de la frecuencia). Matemáticamente:

La forma de onda f(t) consiste de un valor promedio (cd) (Ao), una serie de frecuencias coseno, en las cuales cada termino sucesivo tiene una frecuencia que es un múltiplo entero de la frecuencia del primer termino coseno en la serie, y una serie de funciones seno en las cuales cada termino sucesivo tiene una frecuencia que es un múltiplo entero de la frecuencia del primer termino seno en la serie.

Una forma de onda periódica consiste de una componente promedio y una serie de armónicas de ondas seno y coseno relacionadas. Una armónica es un múltiplo frecuencia fundamental.

entero

de

la

La frecuencia fundamental es la primera armónica y es igual a la frecuencia (rango de repetición) de la forma de onda. El segundo múltiplo de la frecuencia fundamental se llama la segunda armónica, el tercer múltiplo la tercera armónica, etc.

La frecuencia fundamental es la mínima cantidad de frecuencia necesaria para representar una forma de onda, puede representarse como:

SIMETRIA DE LA ONDA La simetría de la onda describe la simetría de una onda en el dominio del tiempo, es decir, su posición relativa con respecto a los ejes horizontales (tiempo) y verticales (amplitud. Los tipos de simetría pueden ser: a) b) c)

Simetría par Simetría impar Simetría de media onda

SIMETRIA PAR Si una forma de onda con voltajes periódicos es simétrica en el eje vertical (amplitud), se dice que tiene simetría axial o de espejo y se llama una función par.

Para todas las funciones pares, los coeficientes de B en la ecuación anterior son ceros. Las funciones pares satisfacen la condición:

SIMETRIA IMPAR Si una forma de onda de voltaje periódico es simétrica sobre la línea a la mitad de los ejes verticales y horizontales negativos (es decir, los ejes en el segundo cuadrante y cuarto cuadrante) y pasa por el origen de la coordenada, se dice que tiene una simetría de punto u oblicua y se llama función impar. Para todas las funciones impares los coeficientes A son cero.

Esta forma debe reflejarse primero en el eje Y y después en el eje X por superposición, por lo tanto:

SIMETRIA DE MEDIA ONDA Si una forma de onda de voltaje periódica es tal que la forma de onda para la primera mitad de ciclo (t=0 a t=T/2) se repite a si misma, excepto con el signo opuesto para la segunda mitad del ciclo (t=T/2 a t=T) se dice que tiene simetría de media onda. Para todas las formas de onda con simetría de media onda, la armónica pares en la serie para los términos seno y coseno son cero.

Una forma de onda puede tener media onda así como simetria par o impar al mismo tiempo, lo coeficientes A0, B1a Bn y A1 a An pueden evaluarse usando las siguientes integrales:

La siguiente tabla es un resumen de la serie de Fourier para varias de las formas de ondas periódicas no senoidales mas comunes:

Ejemplo. Para el tren de ondas cuadradas mostradas en la siguiente figura:

Determine: a) Las amplitudes picos y las frecuencias de la primeras cinco armónicas impares. b) Dibuje el espectro de frecuencias. c) Calcule el voltaje instantáneo total para varios tiempos y trace la forma de onda en el dominio del tiempo.