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PRINCIPIOS BASICOS
DE LAS
TELECOMUNICACIONES
INTRODUCCION Comunicaciones electrnicas es la transmisin,
recepcin y procesamiento de informacin usando
circuitos electrnicos.
La informacin se define como el conocimiento, la
sabidura o la realidad y puede ser en forma
analgica (proporcional o continua) tal como la
voz humana, informacin sobre una imagen de
video o msica, o en forma digital (etapas
discretas), tales como nmeros codificados en
binario, cdigos alfanumricos, smbolos grficos,
cdigos operacionales del microprocesador o
informacin de base de datos
Toda la informacin debe de convertirse a energa
electromagntica, antes de que pueda
propagarse por un sistema de comunicaciones
electrnicas.
Un diagrama a bloques simplificado de un sistema
de comunicaciones electrnicas mostrando la
relacin entre la informacin de la fuente original,
el transmisor, el medio de transmisin (conductor),
el receptor, y la informacin recibida en el destino
es mostrada en la siguiente figura.
Un sistema de comunicaciones electrnicas
consiste de tres secciones primarias:
a) Transmisor
b) Medio de Transmisor
c) Receptor
Transmisor: Convierte la informacin original de la fuente a una forma mas adecuada para la transmisin.
Medio de Transmisin: Proporciona un medio de conexin entre el transmisor y el receptor, esto puede ser: Conductor Metlico, Fibra ptica, Espacio Libre).
Receptor: Convierte la informacin recibida a su forma original y la transfiere a su destino.
La informacin original puede originarse de una variedad de fuentes diferentes y ser de forma analgica o digital.
Cuando se transmite informacin a partir de
muchas fuentes sobre un medio de transmisin
comn, la informacin debe combinarse en una
seal de informacin compuesta sencilla.
El proceso de combinar la informacin en una
seal de informacin compuesta se le llama
multicanalizacin y el proceso de separar la
informacin se le llama desmulticanalizacin.
Existen dos tipos bsicos de sistemas de
comunicaciones electrnicas:
a) Analgicas
b) Digitales
Sistema de Comunicacin Analgico: Sistema en el
cual la energa electromagntica se transmite y
recibe en forma analgica (una seal variando
continuamente tal como una onda senoidal). Los
sistemas de radio comerciales emiten seales
analgicas.
Sistema de Comunicacin Digital: Sistema en el
cual la energa electromagntica se transmite y
recibe en forma digital (niveles discretos tal como
+5V y tierra).
Los sistemas binarios utilizan seales digitales que
solo tienen dos niveles discretos.
MODULACIN/DEMODULACIN Con las comunicaciones de radio, es necesario
superponer una seal de inteligencia de
frecuencia relativamente baja a una seal de
frecuencia relativamente alta para la transmisin.
En los sistemas de comunicaciones electrnicas
analgicas, la informacin de la fuente (seal de
informacin) acta sobre o modula una seal
senoidal de frecuencia sencilla.
Modular simplemente significa variar, cambiar o
regular.
La informacin de la fuente de frecuencia
relativamente baja se llama seal de modulacin,
la seal de frecuencia relativamente alta, sobre la
cual se acta (modulada) se llama la portadora, y
la seal de frecuencia resultante se llama la onda
modulada o seal.
Con los sistemas de comunicaciones analgicas, la
modulacin es el proceso de variar o cambiar
alguna propiedad de una portadora analgica de
acuerdo con la informacin original de la fuente.
La demodulacin es el proceso de convertir los
cambios en la portadora analgica a la
informacin original de la fuente.
La modulacin se realiza en el transmisor, en el
circuito llamado modulador, y la demodulacin se
realiza en el receptor, en el circuito llamado
demodulador.
La seal de informacin que modula la portadora
principal se llama seal de banda base o
simplemente banda base.
Las seales de banda base se convierten en
frecuencia alta en el transmisor y se convierten en
frecuencia baja en el receptor. La traslacin de
frecuencia es el proceso de convertir una
frecuencia sencilla o una banda de frecuencia a
otra ubicacin en el espectro de la frecuencia
total.
El termino canal es comnmente utilizado cuando se refiere a una banda especifica de frecuencias distribuidas, para un servicio en particular o transmisin.
Por ejemplo: un canal estndar de banda de frecuencia para voz ocupa un AB de 3KHz y se utiliza para la transmisin de seales de voz de calidad.
Un canal de RF se refiere a una banda de frecuencia usadas para propagar seales de radiofrecuencia, tal como un canal sencillo y comercial de emisin FM que ocupa aproximadamente, una banda de frecuencias de 200KHz dentro de la banda total de 88 a 108MHz.
La expresin general para una onda senoidal
variante con el tiempo de voltaje, tal como una
portadora analgica se expresa como:
Tres propiedades de una onda senoidal pueden ser
variadas:
a) Amplitud (Amplitud Modulada AM)
b) Frecuencia (Frecuencia Modulada FM)
c) Fase (Fase Modulada PM)
Diagrama a bloques simplificado de un sistema de
comunicaciones que muestra la relacin entre la
seal de modulacin (informacin), la seal
modulada (portadora), onda modulada
(resultante) y el ruido del sistema.
Porque es necesario Modular?
a) Es extremadamente difcil radiar seales a
frecuencias bajas por la atmosfera de la tierra
en forma de energa electromagntica.
b) Las seales de informacin frecuentemente
ocupan la misma banda de frecuencia y, si son
transmitidas en su forma original, interferirn.
ESPECTRO ELECTROMAGNETICO El propsito de un sistema de comunicaciones
electrnica es comunicar informacin entre dos o
mas ubicaciones. Esto se logra convirtiendo la
informacin de la fuente original a energa
electromagntica y despus transmitiendo la
energa a uno o mas destinos, en donde se
convierte de nuevo a su forma original.
La energa electromagntica puede propagarse en
varios modos:
a) Voltaje/Corriente cable metlico.
b) Ondas de radio emitidas por el espacio libre
c) Ondas de Luz por F.O.
El espectro de frecuencias electromagnticas total que muestra las localizaciones aproximadas de varios servicios dentro de la banda se muestra:
El espectro de frecuencia se extiende desdelas frecuencias subsnicas a los rayos csmicos. Cada banda de frecuencia tiene una caracterstica nica que la hace diferente de las otras bandas.
Cuando se trata de ondas de radio, es comn 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 electromagntica 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 propagacin.
La relacin entre la frecuencia, velocidad y
longitud de onda se expresa matemticamente
como:
Ejemplo: Determine la longitud de onda para las
siguentes frecuencias: (a)1KHz, (b) 100KHz y (c)
10MHz.
FRECUENCIA DE TRANSMISIN El espectro total de la frecuencia electromagntica
esta dividido en subsectores o bandas. Cada
banda tiene un nombre y limites.
Por ejemplo, la banda de radiodifusin de FM
comercial se extiende de 88 a 108MHz.
La divisin general del espectro de frecuencia
totalmente utilizable se decide en las Convenciones
Internacionales de Telecomunicaciones, las cuales
son realizadas aproximadamente cada 10 aos.
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 nmeros de banda.
Varias de las bandas se dividen en diversos tipos de
servicios, tales como una bsqueda a bordo de un
barco, microondas, satlites, bsqueda mvil
basado en tierra, navegacin de barco,
aproximacin de aeronaves, deteccin de
superficie de aeropuerto, clima desde aeronaves,
telfono mvil y mucho mas.
ANCHO DE BANDA Y CAPACIDAD
DE INFORMACIN
Las dos limitaciones mas significativas en el
funcionamiento del sistema de comunicaciones son:
a) Ruido
b) AB
El AB de banda de un sistema de comunicaciones
es la banda de paso mnima (rango de frecuencia)
requerida para propagar la informacin de la
fuente a travs del sistema.
La capacidad de informacin de un sistema de
comunicaciones es una medida de cuanta
informacin de la fuente puede transportarse pro el
sistema, en un periodo dado de tiempo.
La cantidad de informacin que puede
propagarse a travs de un sistema de transmisin es
un funcin del AB del sistema y el tiempo de
transmisin.
La relacin entre el AB, tiempo de transmisin y capacidad de informacin, segn la ley de Hartley es:
Se requiere aproximadamente 3KHz de AB para transmitir seales telefnicas con calidad de voz. Se requieren mas de 200KHz de AB para la transmisin de FM comercial de msica de alta fidelidad y se requieren de 6MHz de AB para las seales de televisin con una calidad de radio fusin.
MODOS DE TRANSMISIN Los sistemas de comunicaciones electrnicas pueden disearse para manejar la transmisin solamente en una direccin, en ambas direcciones pero solo uno a la vez, o en ambas direcciones al mismo tiempo.
Estos sistemas se llaman modos de transmisin, siendo:
a) Simplex
b) Half Duplex
c) Full Duplex
d) Full/Full - Duplex
SIMPLEX (SX) Las trasmisiones pueden ocurrir solo en una
direccin, los sistemas simplex son, algunas veces,
llamados sistemas de un sentido, solo para recibir o
solo para transmitir. Una ubicacin 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 ubicacin 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 full-
duplex algunas veces se les llama lneas simultanea
de doble sentido, duplex o de ambos sentidos. Una
ubicacin puede transmitir y recibir
simultneamente; sin embargo, la estacin a la que
esta transmitiendo tambin debes ser la estacin de
la cual esta recibiendo.
FULL/FULL DUPLEX (F/FDX) Es posible transmitir y recibir simultneamente, pero
no necesariamente entre las mismas dos
ubicaciones (es decir, una estacin puede transmitir
a una segunda estacin y recibir de una tercera
estacin al mismo tiempo). Las transmisiones F/FDX
se utilizan casi exclusivamente con circuitos de
comunicaciones de datos.
ARREGLOS DE CIRCUITOS Los circuitos de comunicaciones electrnicas
pueden configurarse de varias maneras, a estas
configuraciones se les llama arreglos de circuitos,
pueden ser:
a) Transmisin a dos hilos
b) Transmisin a cuatro hilos
TRANSMISIONES CON DOS HILOS
La transmisin a dos hilos contiene dos cables (uno
para la seal y uno para la referencia o tierra fsica),
o una configuracin de circuito que es equivalente
a solo dos cables.
Los circuitos a dos hilos son idealmente adecuados
para la transmisin simplex, aunque puede usarse
para la transmisin de half-duplex y full duplex.
TRANSMISIONES A CUATRO HILOS Las transmisiones a cuatro hilos consiste de cuatro
cables. Los circuitos de cuatro hilos estn
idealmente hechos para la transmisin full-duplex.
Un circuito de cuatro hilos equivale a dos circuitos
de dos hilos, uno para cada direccin de
transmisin. Con operacin a cuatro hilos, el
transmisor en una ubicacin se conecta a travs de
un medio de transmisin al receptor en la otra
ubicacin y viceversa, de este modo, los
transmisores y receptores en cierta ubicacin 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 transmisin cuando se utiliza una
operacin 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
telefnica 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 seal.
La bobina hibrida compensa las variaciones de
impedancia en la porcin de dos hilos del circuito.
Los amplificadores y atenuadores ajustan los voltajes
de la seal a los niveles requeridos, y los
ecualizadores compensan los deterioros en la lnea
de transmisin que afectan la respuesta a la
frecuencia de la seal transmitida, tal como la
induccin de lnea, capacitancia y resistencia.
Si la impedancias de la lnea 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
seal recibida sea regresada al emisor en la porcin
O-E del circuito de cuatro hilos.
La parte regresada de la seal ser escuchada
como un ECO por el que habla y, si el retardo del
viaje redondo de esta seal 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 elctricas de longitud.
ANALISIS DE SEALES Cuando se disea los circuitos para
comunicaciones electrnicas, frecuentemente es
necesario analizar y predecir el funcionamiento del
circuito basndose en la distribucin de potencia y
composicin de frecuencia de la seal de
informacin.
Aunque todas las seales en las comunicaciones
electrnicas no son ondas senoidales con una
frecuencia sencilla o una onda cosenoidales,
muchas si lo son, y las seales que no lo son se
pueden representar por una serie de funciones seno
o coseno.
SEALES SENOIDALES El anlisis de seales es el anlisis matemtico de la
frecuencia, el ancho de banda y el nivel de voltaje
de una seal.
La seales elctricas 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 funcin seno o coseno se usa para
representar una seal, 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 peridica
porque se repite en un rango uniforme (es decir,
cada ciclo sucesivo de la seal tiene exactamente
la misma duracin de tiempo y exactamente las
mismas variaciones de amplitud que cualquier otro
ciclo, cada ciclo tiene exactamente la misma
forma)
Las ondas peridicas 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 estndar es un instrumento de
dominio del tiempo. La pantalla en el tubo de rayos
catdicos CRT despliega una representacin de
una amplitud contra el tiempo de la seal de
entrada y se le suele llamar una forma de onda de
una seal.
Una forma de onda de una seal muestra la forma y
la magnitud instantnea de la seal, 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 peridica compleja. Para analizar
una forma de onda peridica compleja, es
necesario utilizar las series de Fourier.
SERIES DE FOURIER Se usan en el anlisis de seales para representar a
los componentes senoidal de una forma de onda
peridica no senoidal (es decir, cambiar una seal
en el dominio del tiempo a una seal en el dominio
de la frecuencia). Matemticamente:
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 mltiplo 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 mltiplo entero de la
frecuencia del primer termino seno en la serie.
Una forma de onda peridica consiste de una componente promedio y una serie de armnicas de ondas seno y coseno relacionadas.
Una armnica es un mltiplo entero de la frecuencia fundamental.
La frecuencia fundamental es la primera armnica y es igual a la frecuencia (rango de repeticin) de la forma de onda.
El segundo mltiplo de la frecuencia fundamental se llama la segunda armnica, el tercer mltiplo la tercera armnica, etc.
La frecuencia fundamental es la mnima cantidad
de frecuencia necesaria para representar una
forma de onda, puede representarse como:
SIMETRIA DE LA ONDA La simetra de la onda describe la simetra de una
onda en el dominio del tiempo, es decir, su posicin
relativa con respecto a los ejes horizontales (tiempo)
y verticales (amplitud. Los tipos de simetra pueden
ser:
a) Simetra par
b) Simetra impar
c) Simetra de media onda
SIMETRIA PAR Si una forma de onda con voltajes peridicos es
simtrica en el eje vertical (amplitud), se dice que
tiene simetra axial o de espejo y se llama una
funcin par.
Para todas las funciones pares, los coeficientes de B
en la ecuacin anterior son ceros. Las funciones
pares satisfacen la condicin:
SIMETRIA IMPAR Si una forma de onda de voltaje peridico es
simtrica sobre la lnea 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 simetra de punto u oblicua y se llama
funcin impar. Para todas las funciones impares los
coeficientes A son cero.
Esta forma debe reflejarse primero en el eje Y y
despus en el eje X por superposicin, por lo tanto:
SIMETRIA DE MEDIA ONDA Si una forma de onda de voltaje peridica 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 simetra de media
onda.
Para todas las formas de onda con simetra de
media onda, la armnica pares en la serie para los
trminos seno y coseno son cero.
Una forma de onda puede tener media onda as
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
peridicas 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 armnicas impares.
b) Dibuje el espectro de frecuencias.
c) Calcule el voltaje instantneo total para varios
tiempos y trace la forma de onda en el dominio
del tiempo.
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