telecomunicaciones tópicos de introducción

TelecomunicacionesTópicos de Introducción

Unidad I

Contenido de la Unidad

• Introducción• El dB en las comunicaciones• El Ruido• Cálculo del Ruido• Medida del Ruido• Información y Ancho de Banda• Osciladores

Unidad I

Introducción

Introducción

• Objetivo de la materia:– Proveer al estudiante una introducción a los

aspectos más relevantes de los sistemas de comunicación, dejando para las siguientes materias la base necesaria para profundizar las técnicas y los métodos de comunicaciones contemporáneos.

Comunicaciones Electrónicas

• Objetivo: El objetivo fundamental de un sistema electrónico de comunicaciones, es transferir información de un lugar para otro.

• Definición: “Comunicación electrónica es la transmisión, recepción y procesamiento de información entre dos o más lugares, mediante circuitos electrónicos”.

SISTEMA DE COMUNICACIONESSISTEMA DE COMUNICACIONES

Tipos de señalTipos de señal

Señal analógica: Aquella cuya amplitud varía de forma continua, sin cambios abruptos. Es la naturaleza de la mayoría de las señales primarias de un sistema de telecomunicaciones

Tipos de señalTipos de señal

Señal digital: Información presentada en forma de pulsos, los cuales se pueden contar. Es discreta, a diferencia de la analógica, que es continua

11 00 0 0

RELOJ

TRANSMISIONTRANSMISION

• Trasladar información de un lugar a otro• Esta información puede ser:

– Voz– Datos– Imagen– Vídeo– Multimedia (Combinación de los anteriores).

TRANSMISORTRANSMISOR

• Realiza la adaptación entre la señal mensaje de entrada y el canal.

• El procesamiento de la señal realizada por el transmisor incluye amplificación, filtrado y modulación.

MODULACIÓN Y CODIFICACIÓNMODULACIÓN Y CODIFICACIÓN

Modulación es la operación mediante la cual ciertas características de una onda denominada portadora, se modifican en función de otra señal denominada moduladora, que contiene la información a ser transmitida.

• La modificación debe hacerse de tal forma, que la información no se altere.

• La modulación se requiere para adecuar la

moduladora al medio de transmisión.

CANAL DE COMUNICACIONESCANAL DE COMUNICACIONES

• Recorrido físico que es necesario establecer para que una señal se pueda desplazar entre dos puntos.

Medios físicos de transmisión de la información por Medios físicos de transmisión de la información por ondas Electromagnéticasondas Electromagnéticas

• Medios guiados– Cables metálicos (normalmente de cobre)

• Coaxiales• De pares trenzados (apantallados o sin apantallar)

– Cables de fibra óptica• Multimodo• Monomodo

• Medios no guiados– Enlaces vía radio– Enlaces vía satélite

Medios físicos de transmisión de la información por Medios físicos de transmisión de la información por ondas Electromagnéticasondas Electromagnéticas

Cable coaxial

SateliteMicroondas

Fibra Optica

Aplicaciones de las telecomunicaciones

Telefoníaanalógica y digital

Antenas Satélites

Propagación deondas

Redes deinformación

Naturaleza de las señales

• La naturaleza de la fuente de las señales de información podrá ser tanto analógica como digital, sin embargo, todas la forma de información se deben convertir a energía electromagnética antes de ser propagadas a través de un sistema electrónico de comunicaciones.

Línea del Tiempo

1837

Samuel MorseTelégrafo

1876

Alexander BellTeléfono

1894

Guglielmo MarconiRadio sin hilosWireles

1876

Lee DeForestTriodoAmplificaciónde las señales

1920

RadioComercialAM

1939

TransmisiónTVCadena NBC

1957

SputnikPrimerSatéliteRusia

InternetUSA

1969 1983

TelefoníaCelular

1999

TelevisiónDigitalDTV

Era de las comunicaciones

• Este crecimiento ha ocasionado un efecto de tipo “bola de nieve” en la industria de las comunicaciones, el cual no tiene fin, se ha provocado la existencia de sistemas que comunican todo el planeta e incluso fuera del mismo y se ha ocasionado un crecimiento de actividades de tipo social y económicas con mayor complejidad.

• La lista de aplicaciones que implican el uso de las comunicaciones de una forma u otra es casi interminable

El Proceso de la Comunicación

• Generación de una señal (mensaje): voz, imagen, música o datos.

• Descripción de esa señal del mensaje mediante un conjunto de símbolos: eléctricos, auditivos o visuales.

• Codificación de estos símbolos en una forma que sea adecuada para la transmisión.

• Transmisión de los símbolos codificados al destino deseado.

• Decodificación y reproducción de los símbolos originales.• Recreación de la señal del mensaje original, con una

degradación definible en la calidad.

Diagrama de un Sistema de Comunicaciones

Baja frecuenciaInformación(intelligence)

Alta frecuenciaPortadora(carrier)

Etapa demodulación

Amplificador

Medio deTransmisión

AmplificadorDemodulador

(detector)Amplificador

Transductor desalida

Transmisor

Receptor

AntenaLíneas de transmisión

Guías de OndaFibra Óptica

Señalmodulada

FrecuenciaFrecuencia

• Número de ciclos ocurridos en un segundo. • La unidad de medida es el Hertz (Hertz).

1 Hz = 1 ciclo por segundo (cps)

Período T = 1 sdoEjemplo:

F = 2 cps o 2 Hz

V

t

ESPECTRO DE LUZ VISIBLEESPECTRO DE LUZ VISIBLE

Infrarrojos Ultravioletas

“ L U Z V I S I B L E ”

Todos los Colores conocidos están incluidos dentro de este rango, como mezcla de estos

Modulación

• El concepto de modulación es primordial en el área de las comunicaciones.

• Definición: Es el proceso de colocar información (intelligence signal) sobre una portadora (carrier) de alta frecuencia para su transmisión.

• Cuando la señal es recibida la señal inteligente debe ser separada de la señal de alta frecuencia, a este proceso se le denomina de demodulación.

¿Porqué modular?

• ¿Porqué no se puede transmitir la información directamente?– El espectro de la voz está usualmente en el rango de 20

a 3000 Hz.– Si todos transmitieran directamente como ondas de

radio habría un problema serio de interferencia entre todas las señales.

– Otra limitación de la misma importancia sería la imposibilidad de transmitir esas bajas frecuencias ya que el requerimiento del tamaño de las antenas para efectuar la transmisión sería de algunos kilómetros de altura.

Espectro de Radio Frecuencia

Frecuencia Designación Abreviación

30-300 Hz Extrema baja frecuencia ELF

300-3000 Hz Frecuencia de voz VF

3-30 kHz Muy baja frecuencia VLF

30-300 kHz Baja frecuencia LF

300 kHz-3 MHZ Media frecuencia MF

3-30 MHz Alta frecuencia HF

30-300 MHz Muy alta frecuencia VHF

300 MHz-3 GHz Ultra alta frecuencia UHF

3-30 GHz Súper alta frecuencia SHF

30-300 HGz Extra alta frecuencia EHF

DIVISION DEL ESPECTRO DIVISION DEL ESPECTRO RADIOELECTRICORADIOELECTRICO

• Se subdivide en 9 bandas de frecuencias, que se designan por números enteros, en orden creciente y se expresan en:

• kilohertzios (kHz) hasta 3.000 kHz, inclusive;

• Megahertzios (MHz) por encima de 3 MHz hasta 3.000 MHz, inclusive;

• Gigahertzios (GHz) por encima de 3 GHz hasta 3.000 GHz, inclusive. 

Bandas de Frecuencia

Bandas de Microondas

Espectro radioeléctrico

30 Khz ó menor VLF30 Khz a 300 Khz LF

300 Khz a 3000 Khz Onda media MFRadiodifusión local AM, Radionavegación maritima y aeronautica

3 Mhz a 30 Mhz Onda corta HFRadiodifusión Internacional (Ultramarina), Comunicación Internacional, Radio amateurs

30 Mhz a 300 Mhz Onda muy corta VHFTelevisión (canales 2 - 13), Radiodifusión sonora en FM, Comunicaciones moviles (taxi), Radiotelefonos locales

300 Mhz a 3000 Mhz Onda ultra corta UHFTelevisión, Buscapersonas, PCS, Telefonía celular, Radioenlaces

3 Ghz a 30 Ghz Microondas SHF Radioenlaces, Radar30 Ghz a 300 Ghz Ondas milimétricas EHF Transmisión en banda ancha

Utilización de frecuenciasServicio principalBanda de frecuencias

Onda largaRadionavegación (LORAN, DECCA), Maritima movil, submarinas y espaciales

La Modulación• Las portadoras de alta frecuencia son

seleccionadas de tal forma que solo una transmisora pueda transmitir en una frecuencia determinada para evitar las interferencias.

• Las frecuencias deben ser lo suficientemente altas para hacer manejables los tamaños de las antenas.

• Hay tres formas básicas de colocar información en una señal de alta frecuencia:– Variando su amplitud (amplitude modulation, AM)– Variando su frecuencia (frequency modulation, FM)– Variando su fase (Phase modulation, PM)

La Modulación

• Esta ecuación es la representación matemática de una onda senoidal, la cual podemos asumir que es de una portadora de alta frecuencia, donde:– v = valor instantáneo

– Vp = valor pico

– ω = velocidad angular = 2πf

– Φ = desplazamiento de fase (radianes)

)sin( tVpv

Diversas técnicas de modulación

)sin( tVpv

AM PMFM

ASK PSKFSK

QAM

SeñalModulante

digital

analógica

Modulación efectuada

Factores que influyen en las comunicaciones electrónicas

• Antes de entrar en detalles de cada uno de los elementos para las comunicaciones, es necesario familiarizarse con algunos factores que influyen en las comunicaciones como:– La medida que generalmente mide el desempeño en las

comunicaciones es el dB (decibel)

– El Ruido Eléctrico y

– El Ancho de Banda.

Unidad 1

El dB en las Comunicaciones

El Decibel (dB)

• Esta medida es usada para especificar y calcular valores de análisis de ruido, sistemas de audio, sistemas de microondas, cálculo de presupuestos para sistemas satelitales, ganancia de potencia en antenas y muchas otras medidas en los sistemas de comunicaciones.

• En cada uno de estos casos, el valor del dB es calculado con relación a un estándar o a un valor de referencia.

Cálculo del decibel

• El valor de dB es calculado tomando el logaritmo de la proporción aritmética de la medición o del cálculo de la potencia (P2) con relación al nivel de potencia de referencia (P1), este resultado es multiplicado por 10 para obtener el valor en dB.

1

210log10

PP

dB

Cálculo del decibel (2)

• En caso de estar evaluando el voltaje de salida vs. El voltaje de entrada la relación para el cálculo del dB será en términos de voltaje y usando la relación P=V2/R y asumiendo que la resistencia de salida es equivalente a la de entrada*, obtendremos la siguiente ecuación.

1

210log20

VV

dB

* Asumir la equivalencia de las resistencias en comunicaciones es razonable, ya que es cuando se obtiene la máxima transferencia de potencia.

Aplicación del valor del dB

• Por lo general el dB es usado para especificar requerimientos de niveles de entrada o de salida para mucho sistemas de comunicación. Cuando se realiza una medida de dB, se especifica un nivel de referencia para esa aplicación en particular.

• Un ejemplo de esto es encontrado en las consolas de audio en los sistemas de radio, donde el nivel de 0-dBm es usualmente especificado como requerimiento para la entrada/salida en un 100% de modulación.

• Nótese que la letra m se añadió a la unidad dB, esto indica que el nivel dB es relativo a la referencia de1-mW

Ejemplo 1

• Muestra que cuando se hace una medida de dBm, un valor medido de 1mW resultará en 0 dBm nivel de potencia

• Solución

dBmódBmWmW

PP

dB 0011

log10log10 101

210

• La expresión 0 dBm indica que la medida fue realizada tomando 1-mW de valor de referencia

Ejercicio 1

• Probar que el voltaje medido a través de una carga de 600Ω para un nivel de 0 dBm es de 0.775 V.

• Nota: Una línea de audio balanceada de 600Ω es un estándar para los profesionales de sistemas de comunicación, transmisiones y de audio, no obstante 0 dBm no es exclusivo para impedancias de 600Ω.

• dBm(600)

Ejercicio 2

• Un sistema de microondas requiere un nivel de audio de +8-dBm para proveer un 100% de modulación. Determina el voltaje requerido para producir un nivel de +8-dBm, asumiendo que es un sistema de audio de 600Ω.

Otros términos

• dBm(75) Una medida hecha usando 1mW de referencia con relación a una carga de 75Ω .

• dBm(50) Una medida hecha usando 1mW de referencia con relación a una carga de 50Ω .

• dBW Una medida hecha usando 1W de referencia.• dBμV Una medida hecha usando 1 μV de

referencia.

Ejemplo 2

• La salida de un diodo láser es +10 dBm. Convierte este valor a:– a) Watts– b) dBW

Solución

WP

PP

PdBm

01.02001.0

10001.0

)1(log

001.0log1010

221

2

a)

b) Resolver (sol. -20dBW)

Ayuda en internet

• Calculadora– http://www.sengpielaudio.com/calculator-db-

volt.htm

• Conversión de dBm a Watts– http://www.hyperlinktech.com/web/dbm.php– http://www.ipass.net/teara/dbm.html

dBm to Watts Conversion Chart

dBm Watts dBm Watts dBm Watts

0 1.0 mW 16 40 mW 32 1.6 W

1 1.3 mW 17 50 mW 33 2.0 W

2 1.6 mW 18 63 mW 34 2.5 W

3 2.0 mW 19 79 mW 35 3.2 W

4 2.5 mW 20 100 mW 36 4.0 W

5 3.2 mW 21 126 mW 37 5.0 W

6 4 mW 22 158 mW 38 6.3 W

7 5 mW 23 200 mW 39 8.0 W

8 6 mW 24 250 mW 40 10 W

9 8 mW 25 316 mW 41 13 W

10 10 mW 26 398 mW 42 16 W

11 13 mW 27 500 mW 43 20 W

12 16 mW 28 630 mW 44 25 W

13 20 mW 29 800 mW 45 32 W

14 25 mW 30 1.0 W 46 40 W

15 32 mW 31 1.3 W 47 50 W

Unidad 1

El Ruido

El ruido eléctrico

• Definición:– Voltajes o corrientes indeseables que acaban

apareciendo en la salida del receptor.

• Para el que escucha este ruido eléctrico por lo general se manifiesta como estática, pudiendo ser molesto y se puede presentar de forma ocasional o continua.

Naturaleza del ruido

• Ruido externo: es el ruido que está presente en la entrada del receptor y fue introducido por el medio de transmisión.

• Ruido interno: es el ruido que el propio receptor introduce.

Ruido externo• Tipos:1. Ruido man-made

• Originado por el encendido de motores, lámparas, sistemas de ignición, líneas de transmisión eléctrica, etc. (eje. licuadoras), se propaga por la atmósfera (~500Mhz).

• Este tipo de ruido es menor en localidades alejadas de las ciudades, por esto los puestos de comunicación muy sensibles (como receptores satelitales) se ubican en los localidades desiertas.

2. Ruido atmosférico• Causado por efectos naturales como tormentas, relámpagos y es más

sensible en bajas frecuencias.3. Ruido espacial

• Es producido en el espacio exterior y es dividido en ruido solar y ruido cósmico (otras estrellas). Afecta en las frecuencias de los 8MHz hasta 1.5GHz

Ruido interno

• La mayor contribución de ruido en el receptor ocurre en la primera etapa de amplificación, es donde la señal deseada está en su nivel más bajo, y el ruido insertado en esta etapa será proporcionalmente muy grande en relación con la señal inteligente.

• Todas las demás etapas del receptor también introducen ruido, pero no tan significante como la primera, como muestra la siguiente figura.

Otro tipos de ruido interno

• Ruido térmico (Johnson noise, ruido blanco): causado por la actividad térmica entre los electrones libres y los iones en el conductor. Por lo general se extiende por todo el espectro de frecuencia por eso se conoce como ruido blanco (ya que el blanco contiene todas las frecuencias del color).

– Johnson fue capaz de determinar que la potencia de este ruido es dada por:

fkTPn – Donde:

• k = constante de Boltzmann (1.38 x 10 -23 J/K)• T = temperatura de la resistencia (en kelvin – K)• Δf = ancho de banda de frecuencia del sistema que está siendo considerado

• Ruido del transistor (de disparo, shot noise): este ruido se debe a la llegada aleatoria de portadoras (agujeros y electrones) al elemento de salida de un dispositivo electrónico (en la unión p-n), como un diodo o un transistor ya sea de efecto de campo o bipolar. – Este ruido varía en forma aleatoria, y se superpone a

cualquier señal que haya. Cuando se amplifica se oye como balines de metal que caen en un techo de lámina.

– Se suma al ruido térmico.– No existe formula para calcular el valor, por esto el

usuario debe referirse a la hoja de datos del fabricante para ver las indicaciones sobre las características de este ruido.

Voltaje del Ruido• La figura muestra el circuito equivalente de una fuente de ruido

Voltaje (rms) del ruido• Según la ecuación de la potencia del ruido y con

las consideraciones de la figura anterior tenemos:

fRkTe

fRkTe

fkTR

eP

n

n

nn

4

4

2/

2

2

Ejemplo 3

• Para un dispositivo electrónico que funciona a la temperatura de 17°C, con ancho de banda de 10kHz, calcular:– a) La potencia de ruido térmico en watts y en

dBm– b) El voltaje rms del ruido, para una resistencia

interna de 100Ω y una resistencia de carga de 100Ω.

Solución• a) T(kelvin) = 17°C+273=290°K

– potencia del ruido en dBm

• b) voltaje rms del ruido

W

fkTPn

17423 104)101)(290)(1038.1(

dBmP

dBm 134001.0104

log10001.0

log1017

102

10

V

fkTdondefRkTen

1265.0)100)(104)(4(

1044

17

17

Otras fuente de ruido

• Hasta aquí hemos tratado las fuentes de ruido de mayor relevancia, no obstante existen otras fuentes. Para resumir todas las fuentes de ruido presentamos la siguiente tabla:

Tabla – Fuentes de ruido eléctrico

Ruido correlacionado

Distorsión no lineal

Distorsión armónica

Distorsión por intermodulación

Ruido no correlacionado

Externo

Atmosférico

Extrarrestre

Solar

Cósmico

Causado por el hombre

Pulso

Interferencia

Interno

Térmico

Disparo

Tiempo de tránsito

Unidad 1

Calculo y determinación del ruido

Relación de potencia de señal a ruido• Hasta aquí hemos visto diferentes tipos de ruido sin

mostrar como manejarlo de una forma práctica.• La relación fundamental más usada es conocida como la

relación de potencia de señal a ruido (S/N). La razón señal/ruido por lo general se designa simplemente como: S/N y puede ser expresada matemáticamente de la siguiente forma:

• Puedes ser expresado también en dB.

n

s

PP

powernoisepowersignal

NS

Ejemplo 4

• Para un amplificador con potencia de señal de salida de 10W y potencia de ruido de salida de 0.01W, determinar la relación de potencia de señal a ruido (S/N).

• Solución:

• Para expresarla en dB sería:

100001.0

10 n

s

PP

NS

dBPP

dBNS

n

s 3001.0

10log10log10)(

Cifra de ruido (NF, noise figure)• El término noise figure es usualmente utilizado para

especificar exactamente cuan ruidoso es un dispositivo. Se define de la siguiente forma:

NRNSNS

NFoo

ii log10//

log10

• Donde Si/Ni es la relación de potencia de señal a ruido en la entrada y So/No es la relación de potencia de señal a ruido en la salida. El término (Si/Ni )/(So/No ) es usualmente llamado de Factor de Ruido (noise ratio, NR). Si el dispositivo fuese ideal este factor sería igual a 1 y NF sería igual a 0 dB, claro que este valor no puede ser obtenido en la práctica.

Equipo de medición para NF

• HP / Agilent N8973A, N8974A, N8975A Noise Figure Analyzer

Ejemplo 5

• Un transistor amplificador tiene una relación de potencia de señal a ruido (S/N) en la entrada de 10 y en la salida de 5.

a) Calcula NR

b) Calcula NF

Solución

dBNRNSNS

NFb

NSNS

NRa

oo

ii

oo

ii

32log10log10//

log10)

25

10//

)

Ejercicio 3

• Para un amplificador no ideal con los siguientes parámetros, calcular:

a) Relación S/N en la entrada en dB

b) Relación S/N en la salida en dB

c) Factor de ruido (NR) y la cifra de ruido (NF).– Potencia de la señal de entrada = 2x10-10W

– Potencia de ruido en la entrada = 2x10-18W

– Ganancia de potencia = 1,000,000

– Ruido interno = 6x10-12W

Respuestas

a) 80dB

b) 74 dB

c) NR = 4 y NF = 6dB

• Los resultados obtenidos en los ejemplos anteriores son valores típicos de NF en transistores comerciales, no obstante, para proyectos que requieran NF muy bajo, menor a 1dB hay disponibilidad de dispositivos a precios muy especiales.

• Hoja de datos de transistores típicos:– Hoja 1– Hoja 2

Efectos de ruido debido a la reactancia

• En teoría la reactancia no introduce ruido al sistema, esto es verdad para capacitores e inductores ideales que no contienen componentes resistivos, pero esto no ocurre en la realidad. Sin embargo, afortunadamente sus elementos resistivos tienen efectos insignificantes comparado con otros elementos.

• El efecto significante de los circuitos reactivos sobre el ruido es la limitación que tienen en sus respuestas en frecuencia, ya que la respuesta de los circuitos RC, LC y RLC sufrirán variaciones con respecto a la frecuencia.

• El ancho de banda (de 3dB) equivalente a ser usado en cálculos de ruido con circuitos reactivos es dado por:

BWfeq 2

Ruido debido a amplificadores conectados en cascada

• Cuando se conectan en cascada dos o más amplificadores, el factor total del ruido es igual a la acumulación de los factores de ruido individuales. La fórmula de Friiss se usa para calcular el factor total de ruido de varios amplificadores en cascada.

potenciadeganaciaP

etapaslasdeunocadaderuidodefactorNR

Donde

PPPNR

PNR

NRNR

G

nGGG

n

GT

:

...1

...1

)1(211

21

Ejemplo 6

• Un amplificador de tres etapas tiene un ancho de banda de 3dB de 200kHz determinado por un circuito sintonizador LC en la entrada , y opera a 22°C. La primera etapa tiene una ganancia de 14 dB y un NF de 3dB. La segunda y tercera etapa son idénticas, con una ganancia de 20 dB y un NF de 8dB. La carga de salida es de 300Ω. El ruido de entrada es generado por una resistencia de 10kΩ. Calcula:

a) El voltaje y la potencia del ruido en la entrada y en la salida, asumiendo que son amplificadores ideales.

b) El NF de todo el sistemac) El voltaje y la potencia existente en la salida

Respuestas

a) Pn(entrada) = 1.28x10-15W, Vn(entrada) = 7.15μV, Pn(salida) = 3.23x10-10W, Vn(salida) = 0.311mV

a) NF(total) = 3.45dB

a) Considerando el efecto del ruido de las etapas, Pn(salida) = 7.11x10-10W, Vn(salida) = 0.462mV