sistemas de comunicaciones electronicas -tomasi (4ta edición)

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Sistemas deComunicaciones Electrnicas

Cuarta edicin

Wayne TomasiDeVry Institute of Technology

Phoenix, Arizona

TRADUCCIN:Ing. Gloria Mata HernndezFacultad de IngenieraUniversidad Nacional Autnoma de Mxico

Ing. Virgilio Gonzlez PozoTraductor ProfesionalFacultad de QumicaUniversidad Nacional Autnoma de Mxico

REVISIN TCNICA:Gonzalo Duchn SnchezSeccin de Estudios de Postgrado e Investigacin,Escuela Superior de Ingeniera Mecnica Elctrica,Unidad Culhuacn,Instituto Politcnico Nacional

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Datos de catalogacin bibliogrfica

TOMASI, WAYNESistemas de Comunicaciones Electrnicas

PEARSON EDUCACIN, Mxico, 2003

ISBN: 970-26-0316-1rea: Universitarios

Formato: 20 25.5 cm Pginas: 976

Authorized translation from the English language edition, entitled Electronic Communications Systems: Fundamentals Through Advanced, Fourth Editionby Wayne Tomasi, published by Pearson Education, Inc., publishing as PRENTICE HALL, INC.,Copyright 2001. All rights reserved.

ISBN 0-13-022125-2

Traduccin autorizada de la edicin en idioma ingls, titulada Eletronic Communications Systems: Fundamentals Through Advanced, Fourth Edition, porWayne Tomasi, publicada por Pearson Education, Inc., publicada como PRENTICE-HALL INC., Copyright 2001. Todos los derechos reservados.

Esta edicin en espaol es la nica autorizada.

Edicin en espaolEditor: Guillermo Trujano Mendoza

e-mail: [email protected] de desarrollo: Felipe de Jess Castro PrezSupervisor de produccin: Jos D. Hernndez Garduo

Edicin en inglsVice President and Publisher: Dave GarzaEditor in Chief: Stephen HelbaAssistant Vice President and Publisher: Charles E. Stewart, Jr.Associate Editor: Kate LinsnerProduction Editor: Alexandrina Benedicto WolfProduction/Editorial Coordination: Carlisle Publishers ServicesDesign Coordinator: Robin ChukesCover Designer: Tanya BurgessCover photo: Index StockProduction Manager: Matthew OttenwellerMarketing Manager: Barbara Rose

CUARTA EDICIN, 2003

D.R. 2003 por Pearson Educacin de Mxico, S.A. de C.V.Calle 4 No. 25-2do. PisoFracc. Industrial Alce Blanco53370 Naucalpan de Jurez, Edo. de MxicoE-mail: [email protected]

Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Nm. 1031

Prentice-Hall es una marca registrada de Pearson Educacin de Mxico, S.A. de C.V.

Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de esta publicacin pueden reproducirse, registrarse o transmitirse, por un sistema de recuperacinde informacin, en ninguna forma ni por ningn medio, sea electrnico, mecnico, fotoqumico, magntico o electroptico, por fotocopia, grabacin ocualquier otro, sin permiso previo por escrito del editor.El prstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesin de uso de este ejemplar requerir tambin la autorizacin del editor o de sus representantes.

ISBN 970-26-0316-1

Impreso en Mxico. Printed in Mexico.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 06 05 04 03

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El objeto de este libro es presentar al lector los conceptos bsicos de los sistemas convenciona-les de comunicaciones electrnicas analgicas, y ampliar sus conocimientos con los sistemas decomunicaciones ms modernos, digitales, de fibra ptica, de microondas, satelitales y telefni-cos celulares, y satelitales de comunicaciones personales. El libro se escribi para que un lectorcon conocimientos previos de los principios bsicos de electrnica, y comprensin de matem-ticas hasta los conceptos fundamentales de clculo, tenga poca dificultad para comprender lostemas que se presentan. En el texto hay muchos ejemplos que hacen nfasis en los conceptosms importantes. Al final de cada captulo se incluyen preguntas y problemas; al final del librose presentan las respuestas a los problemas seleccionados.

Este libro presenta una descripcin moderna y detallada del campo de las comunicacio-nes electrnicas. Los cambios ms importantes y extensos en esta edicin estn en los captulosque describen fundamentalmente los sistemas de comunicaciones digitales, como el 12, 15, 16,18 y 19. Adems, el captulo 20 es nuevo y se dedica totalmente a los sistemas de telefonacelular y satelital personal. Los nuevos temas principales, y las aclaraciones que incluye es-ta edicin, las cuales se indican de acuerdo al nmero de captulo, son las siguientes:

1. La introduccin de varias secciones en este captulo, incluyendo la seccin que ana-liza modulacin y demodulacin, se han vuelto a escribir, y se han modificado variasfiguras. Adems se han aadido varias figuras, y tambin secciones sobre ruido im-pulsivo e interferencia.

2. En esencia este captulo permanece igual que en la edicin anterior, excepto porvarias modificaciones pequeas a algunas figuras.

3. Este captulo queda esencialmente igual que en la edicin anterior, excepto por la adi-cin de secciones nuevas sobre envolventes de AM producidas por seales comple-jas no senoidales, modulacin de amplitud en cuadratura, y pequeas modificacionesa varias figuras.

4. Se han vuelto a escribir la introduccin y la seccin sobre mejoramiento de ancho debanda, y se han modificado varias figuras. Adems se han agregado nuevas seccio-nes sobre limitadores y supresores de ruido, y mediciones alternas de seal a ruido.

v

Prefacio

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5. Se agregaron secciones nuevas sobre banda lateral nica con portadora suprimida ymultiplexado por divisin de frecuencia, as como banda lateral doble con portadorasuprimida y multiplexado en cuadratura.

6. Se reescribieron la introduccin y varias secciones de este captulo, incluyendo sensi-bilidad a la desviacin, ndice de modulacin, desviacin de frecuencia, moduladoresde frecuencia y de fase, conversin ascendente de frecuencia y las ventajas y desven-tajas de la modulacin angular, con ms ejemplos. Tambin se modificaron variasfiguras, y se agregaron otras ms.

7. Se volvieron a escribir las secciones sobre receptores de FM, demoduladores de FMy el efecto de captura de FM, y se modificaron varias figuras. Se cambi de lugar laseccin sobre telfonos celulares, y se puso en el captulo 20.

8. Este captulo queda esencialmente igual que el de la edicin anterior, excepto por laadicin de las secciones sobre microbandas y lnea de cinta (stripline).

9. A excepcin de unas pocas y pequeas modificaciones, este captulo queda esencial-mente igual que en la edicin anterior.

10. Se han vuelto a escribir la introduccin y varias secciones en este captulo, incluyendolas que tratan de reciprocidad de antena, potencia efectiva irradiada isotrpicamente,densidad de potencia capturada, rea de captura y potencia de captura, y ancho debanda de antena. Tambin se han modificado varias figuras.

11. Se cambi a este captulo la exposicin de comunicaciones con fibra ptica del cap-tulo 20. Se han vuelto a escribir la introduccin y varias secciones en este captulo, yse agregaron varias secciones nuevas, como las de fuentes luminosas, potencia pti-ca y provisin de enlace.

12. Se volvieron a escribir las secciones sobre modulacin digital de amplitud, modula-cin por conmutacin de frecuencia, modulacin por conmutacin de frecuencia confase continua y codificacin M-aria, y se agreg una nueva sobre codificacin Trellis.

13. Este captulo queda esencialmente igual al de la edicin anterior, salvo la adicin deuna nueva seccin sobre recomendaciones para mdem CCITT.

14. Este captulo queda esencialmente igual al de la edicin anterior.15. Se cambiaron la introduccin y varias secciones de este captulo, incluyendo las sec-

ciones que tratan las ventajas y desventajas de la transmisin digital y modulacinpor codificacin de pulsos, tambin se aadi una nueva seccin sobre velocidad delnea PCM. Tambin se modificaron varias figuras.

16. Se cambiaron la introduccin y varias secciones de este captulo, incluyendo las seccio-nes que tratan sobre multiplexado por divisin de tiempo y los sistemas de portadoradigital T1, y se agregaron nuevas secciones sobre formato de supertrama extendida ymultiplexado por divisin de longitud de onda.

17. Se reescribi la introduccin, junto con partes de otras secciones, como las ventajasy desventajas de las comunicaciones por microondas, la diversidad, la conmutacinde proteccin, el desvanecimiento, la prdida por trayectoria en el espacio libre y elmargen de desvanecimiento.

18. Se volvieron a escribir la introduccin y varias secciones en este captulo, incluyen-do las que tratan de historia, rbitas satelitales, categoras de elevacin de satlites,pautas orbitales de satlites, satlites geosncronos, ngulos de visual de antena yhuellas. Las secciones nuevas en este captulo son las de las leyes de Kepler, rbitasde Clarke y lmites de visibilidad.

19. Se hicieron pequeas modificaciones en la introduccin y en algunas secciones en es-te captulo. La seccin sobre radionavegacin satelital y GPS Navstar cambi mucho.

20. Se tomaron secciones del captulo 7 de la edicin anterior, se volvieron a escribir y secombinaron con varias secciones nuevas, para presentar una descripcin detallada delos sistemas telefnicos mviles, incluyendo la telefona celular analgica y digital(AMPS), el sistema CDMA de comunicaciones personales (PCS) y el sistema sateli-tal Iridium, de comunicaciones personales (PCSS).

vi Prefacio

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El apndice A qued esencialmente igual al de la edicin anterior.

ReconocimientosQuisiera agradecer la valiosa retroalimentacin de los siguientes revisores: Micha Hohenberger,Temple University; Martin Knutilla, McHenry County College; Steven Schwarz, Queens College;Walter Thain, Southern Polytechnic State University y Martin Weiss, University of Pittsburgh.

Prefacio vii

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CAPTULO 1 INTRODUCCIN A LAS COMUNICACIONES ELECTRNICAS 1

INTRODUCCIN 1SISTEMAS ELECTRNICOS DE COMUNICACIONES 2MODULACIN Y DEMODULACIN 2EL ESPECTRO ELECTROMAGNTICO 4

Frecuencias de transmisin 5Clasificacin de los transmisores 7

ANCHO DE BANDA Y CAPACIDAD DE INFORMACIN 8MODOS DE TRANSMISIN 10

Smplex (SX) 10Semidplex (HDX, de half duplex) 10Dplex total (FDX, de full duplex) 10Dplex total/general (F/FDX, de full/full duplex) 10

CONFIGURACIONES DE LOS CIRCUITOS 10Transmisin a dos hilos 11Transmisin a cuatro hilos 12Hbridos y supresores de eco 12

ANLISIS DE SEALES 14Seales senoidales 14Ondas peridicas no senoidales (ondas complejas) 16Serie de Fourier para una forma de onda rectangular 22Espectros de potencia y energa 26Transformadas de Fourier discreta y rpida 26Efectos de limitacin de banda sobre las seales 27

MEZCLADO 27Suma lineal 27Mezclado no lineal 29

ix

Contenido

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ANLISIS DE RUIDO 34Ruido no correlacionado 34Voltaje del ruido 37Ruido correlacionado 38Ruido impulsivo 40Interferencia 40Resumen del ruido 40Relacin de potencia de seal a ruido 40Factor de ruido y cifra de ruido 42Temperatura equivalente de ruido 45

PREGUNTAS 46PROBLEMAS 47

CAPTULO 2 GENERACIN DE SEAL 51

INTRODUCCIN 51OSCILADORES 51

Osciladores retroalimentados 52Osciladores no sintonizados 54Osciladores sintonizados 55Estabilidad de la frecuencia 59Osciladores de cristal 60

OSCILADORES EN GRAN ESCALA DE INTEGRACIN 67Generacin de forma de onda con circuito integrado 68

LAZOS DE FASE CERRADA 72Intervalos de enganche y de captura 73Oscilador controlado por voltaje 74Comparador de fases 75Funcionamiento del lazo 80Circuito integrado para un lazo de fase cerrada de precisin 84

SINTETIZADORES DE FRECUENCIAS 89Sintetizadores directos de frecuencias 89Sintetizadores indirectos de frecuencias 92


CAPTULO 3 TRANSMISIN POR MODULACIN DE AMPLITUD 100

INTRODUCCIN 100PRINCIPIOS DE MODULACIN DE AMPLITUD 100

La envolvente de AM 101Espectro de frecuencias y ancho de banda de AM 101Representacin fasorial de una onda de amplitud modulada 103Coeficiente de modulacin y porcentaje de modulacin 103Distribucin de voltaje de AM 107Anlisis de AM en el dominio del tiempo 110Distribucin de potencia en AM 111Clculos de corriente en AM 114Modulacin con una seal compleja de informacin 115

CIRCUITOS MODULADORES DE AM 116Modulador de AM de bajo nivel 116Modulador de AM de potencia intermedia 118

x Contenido

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Modulacin simultnea de base y colector 122Moduladores de AM en circuito integrado lineal 122

TRANSMISORES DE AM 127Transmisores de bajo nivel 127Transmisores de alto nivel 127Patrones trapezoidales 127Desplazamiento de la portadora 131Envolventes de AM producidas por seales complejas no senoidales 132

MODULACIN DE AMPLITUD EN CUADRATURA 135PREGUNTAS 135PROBLEMAS 136

CAPTULO 4 RECEPCIN DE AMPLITUD MODULADA 140

INTRODUCCIN 140PARMETROS DEL RECEPTOR 140

Selectividad 141Mejoramiento del ancho de banda 142Sensibilidad 142Margen dinmico 143Fidelidad 143Prdida de insercin 144Temperatura de ruido y temperatura equivalente de ruido 145

RECEPTORES DE AM 145Receptor de radiofrecuencia sintonizada 145Receptor superheterodino 147

CIRCUITOS RECEPTORES DE AM 158Circuitos amplificadores de RF 158Amplificadores de bajo ruido 161Circuitos de mezclador/convertidor 161Circuitos amplificadores de FI 165Circuitos detectores de AM 172Controles automticos de ganancia 176Circuitos de reduccin de ruido 178Limitadores y eliminadores de ruido 179Medidas alternas de seal a ruido 181Receptores de AM en circuito integrado lineal 182

RECEPTORES DE AM DE DOBLE CONVERSIN 183GANANCIA NETA DEL RECEPTOR 183PREGUNTAS 186PROBLEMAS 187

CAPTULO 5 SISTEMAS DE COMUNICACIONES DE BANDA LATERAL NICA 189

INTRODUCCIN 189SISTEMAS DE BANDA LATERAL NICA 189

AM de banda lateral nica y portadora de mxima potencia 190AM de banda lateral nica y portadora suprimida 191AM de banda lateral nica y portadora reducida 191AM de banda lateral independiente 192AM de banda lateral residual 193Comparacin de la transmisin con banda lateral nicay la AM convencional 193

Contenido xi

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ANLISIS MATEMTICO DE AM CON PORTADORA SUPRIMIDA 197GENERACIN DE BANDA LATERAL NICA 197

Modulador de anillo balanceado 197Modulador balanceado en contrafase (push-pull) con FET 200Modulador de puente balanceado 201Moduladores balanceados en circuito integrado lineal 203

TRANSMISORES DE BANDA LATERAL NICA 205Transmisor de banda lateral nica: mtodo con filtro 205Transmisor de banda lateral nica: mtodo de desplazamiento de fase 211Transmisor de banda lateral nica: tercer mtodo 213Transmisor de banda lateral independiente 214

RECEPTORES DE BANDA LATERAL NICA 214Receptor BFO de banda lateral nica 214Receptor BFO coherente de banda lateral nica 217Receptor de deteccin de envolvente con banda lateral nica 218Receptor de banda lateral nica con portadora piloto en multicanales 218

COMPRESIN Y EXPANSIN DE AMPLITUD DE BANDALATERAL NICA 220BANDA LATERAL NICA CON PORTADORA SUPRIMIDAY MULTIPLEXADO POR DIVISIN DE FRECUENCIAS 221DOBLE BANDA LATERAL CON PORTADORA SUPRIMIDAY MULTIPLEXADO EN CUADRATURA 221MEDICIONES DE BANDA LATERAL NICA 223PREGUNTAS 225PROBLEMAS 225

CAPTULO 6 TRANSMISIN POR MODULACIN ANGULAR 228

INTRODUCCIN 228MODULACIN ANGULAR 228

Anlisis matemtico 231Sensibilidad a la desviacin 232Formas de onda de FM y PM 233Desviacin de fase e ndice de modulacin 234Desviacin de frecuencia 235Moduladores y demoduladores de fase y de frecuencia 237Anlisis en frecuencia de las ondas con modulacin angular 238Requisitos de ancho de banda para ondas con modulacin angular 241

BANDA COMERCIAL DE EMISIN EN FM 245REPRESENTACIN FASORIAL DE LA ONDA CON MODULACINANGULAR 245POTENCIA PROMEDIO DE UNA ONDA DE MODULACINANGULAR 246RUIDO Y MODULACIN ANGULAR 248

Modulacin de fase debida a una seal de interferencia 248Modulacin de frecuencia debida a una seal de interferencia 249

PRENFASIS Y DENFASIS 251MODULADORES DE FRECUENCIA Y FASE 253

Moduladores directos de FM 253Moduladores directos de PM 258

CONVERSIN ELEVADORA DE FRECUENCIA 259Mtodo de heterodinado para elevar la frecuencia 259Mtodo de multiplicacin para aumento de frecuencia 261

xii Contenido

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TRANSMISORES DIRECTOS DE FM 262Transmisor directo de FM de Crosby 262Trasmisor directo de FM con lazo de fase cerrada 265

TRANSMISORES INDIRECTOS DE FM 266Transmisor indirecto de FM de Armstrong 266Comparacin de FM y PM 270

MODULACIN ANGULAR EN COMPARACIN CON MODULACINDE AMPLITUD 270

Ventajas de la modulacin angular 270Desventajas de la modulacin angular 270


CAPTULO 7 RECEPTORES POR MODULACIN DE NGULO,FM ESTREO Y RADIO DE FM EN DOS SENTIDOS 275

INTRODUCCIN 275RECEPTORES DE FM 276DEMODULADORES DE FM 276

Discriminadores de frecuencia con circuito sintonizado 278DEMODULADOR DE FM CON LAZO DE FASE CERRADA 282DEMODULADOR DE FM POR CUADRATURA 284SUPRESIN DE RUIDO EN FM 285

Limitadores de amplitud y umbral de FM 285Circuitos limitadores 287Efecto de captura de FM 287

COMPARACIN DE MODULACIN DE FRECUENCIA Y MODULACINDE FASE 289RECEPTORES DE FM EN CIRCUITO INTEGRADO LINEAL 290

Sistema de FI para FM en circuito integrado y baja potencia 290Sistema de FI para FM de alto rendimiento, bajo voltaje y con mezclador 293Sistema de radio de FM con un solo CI 293

EMISIN ESTEREOFNICA EN FM 294Transmisin estereofnica de FM 297Recepcin estereofnica de FM 299

RADIOCOMUNICACIONES EN FM DE DOS SENTIDOS 303Perspectiva histrica 304Radiotransmisor de FM en dos sentidos 304Radiorreceptor de FM en dos sentidos 305


CAPTULO 8 LNEAS DE TRANSMISIN 310

INTRODUCCIN 310ONDAS ELECTROMAGNTICAS TRANSVERSALES 310

Caractersticas de las ondas electromagnticas 311TIPOS DE LNEAS DE TRANSMISIN 313

Balunes 314Lneas de transmisin de conductores paralelos 315Lneas de transmisin concntricas o coaxiales 316

CIRCUITO EQUIVALENTE DE UNA LNEA DE TRANSMISIN 317Lneas uniformemente distribuidas 317Caractersticas de transmisin 317

Contenido xiii

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PROPAGACIN DE ONDAS EN LNEA DE TRANSMISIN 322Factor de velocidad 322Longitud elctrica de una lnea de transmisin 324Lneas de retardo 324

PRDIDAS EN LNEAS DE TRANSMISIN 325Prdidas en el conductor 325Prdida por calentamiento del dielctrico 326Prdida por radiacin 326Prdida por acoplamiento 326Efecto corona (o efecto de arco voltaico) 326

ONDAS INCIDENTES Y REFLEJADAS 327Lneas de transmisin resonantes y no resonantes 327Coeficiente de reflexin 327

ONDAS ESTACIONARIAS 328Relacin de onda estacionaria 328Ondas estacionarias en una lnea abierta 330Ondas estacionarias en una lnea en corto 333

IMPEDANCIA DE ENTRADA DE UNA LNEA DE TRANSMISIN 333Anlisis fasorial de la impedancia de entrada: lnea abierta 334Anlisis fasorial de la impedancia de entrada: lnea en cortocircuito 337Acoplamiento de impedancias en lneas de transmisin 338

REFLECTOMETRA EN EL DOMINIO DEL TIEMPO 340LNEAS DE TRANSMISIN DE MICROCINTA Y DE CINTA 342

Microcinta 342Lnea de cinta 343


CAPTULO 9 PROPAGACIN DE LAS ONDAS ELECTROMAGNTICAS 347

INTRODUCCIN 347POLARIZACIN ELECTROMAGNTICA 348RAYOS Y FRENTES DE ONDA 348RADIACIN ELECTROMAGNTICA 348

Densidad de potencia e intensidad de campo 348Impedancia caracterstica del espacio libre 349

FRENTE DE ONDA ESFRICO Y LA LEY DEL CUADRADOINVERSO 350

Frente de onda esfrico 350Ley del cuadrado inverso 350

ATENUACIN Y ABSORCIN DE ONDAS 351Atenuacin 351Absorcin 352

PROPIEDADES PTICAS DE LAS ONDAS DE RADIO 353Refraccin 353Reflexin 354Difraccin 357Interferencia 357

PROPAGACIN TERRESTRE DE LAS ONDASELECTROMAGNTICAS 359

Propagacin de ondas terrestres 359Propagacin de las ondas espaciales 361Propagacin por ondas celestes 362

xiv Contenido

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TRMINOS Y DEFINICIONES DE PROPAGACIN 364Frecuencia crtica y ngulo crtico 364Altura virtual 365Mxima frecuencia til 365Distancia de salto 366

PRDIDAS EN TRAYECTORIA POR EL ESPACIO LIBRE 366MARGEN DE DESVANECIMIENTO 367PREGUNTAS 368PROBLEMAS 369

CAPTULO 10 ANTENAS Y GUAS DE ONDA 371

INTRODUCCIN 371FUNCIONAMIENTO BSICO DE LA ANTENA 371

Circuitos equivalentes a una antena 372RECIPROCIDAD DE ANTENAS 372TERMINOLOGA Y DEFINICIONES PARA ANTENAS 373

Sistema de coordenadas de la antena 373Diagrama de radiacin 373Campos cercano y lejano 375Resistencia de radiacin 376Ganancia directiva y ganancia de potencia 377Potencia isotrpica efectiva irradiada 378Densidad de potencia capturada 380rea de captura y potencia capturada 380Polarizacin de antena 382Abertura del haz de la antena 382Ancho de banda de antena 383Impedancia de entrada a la antena 383

ANTENAS BSICAS 383Doblete elemental 383Dipolo de media onda 385Antena conectada a tierra 388

CARGA DE LA ANTENA 389Bobinas de carga 389Carga por el extremo superior 390

CONJUNTOS DE ANTENAS 391Red de radiacin lateral 391Red de radiacin longitudinal 392Conjunto no resonante: la antena rmbica 393

ANTENAS DE USO ESPECIAL 394Dipolo doblado 394Antena de torniquete 394Antena log-peridica 396Antena de cuadro 397Antenas de conjunto enfasado 398Antena helicoidal 398

ANTENAS DE UHF Y DE MICROONDAS 400Antena de reflector parablico 401Antena de cuerno cnico 408

GUAS DE ONDA 409Gua de onda rectangular 410

Contenido xv

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OTROS TIPOS DE GUAS DE ONDA 417Gua de onda circular 417Gua de onda rgida 418Gua de onda flexible 418


CAPTULO 11 COMUNICACIONES CON FIBRA PTICA 422

INTRODUCCIN 422HISTORIA DE LAS FIBRAS PTICAS 422COMPARACIN DE INSTALACIONES CON FIBRAS PTICASY CON CABLES METLICOS 423

Ventajas de los sistemas de fibra ptica 423Desventajas de los sistemas de fibra ptica 424

EL ESPECTRO ELECTROMAGNTICO 425DIAGRAMA DE BLOQUES DEL SISTEMA DE COMUNICACIONESCON FIBRA PTICA 425TIPOS DE FIBRA 427

Construccin del cable 428PROPAGACIN DE LA LUZ 429

La fsica de la luz 429Velocidad de propagacin 430Refraccin 430ndice de refraccin 430ngulo crtico 433

PROPAGACIN DE LA LUZ A TRAVS DE UNA FIBRA PTICA 434Modo de propagacin 434Perfil ndice 435

CONFIGURACIONES DE FIBRA PTICA 435Fibra unimodal de ndice escalonado 435Fibra multimodal de ndice escalonado 437Fibra multimodal de ndice graduado 437Comparacin de los tres tipos de fibra ptica 438

NGULO DE ACEPTACIN Y CONO DE ACEPTACIN 439Abertura numrica 440

PRDIDAS EN LOS CABLES DE FIBRA PTICA 442Prdidas por absorcin 444Prdidas en material, o por dispersin de Rayleigh 444Dispersin cromtica o de longitudes de onda 445Prdidas por radiacin 446Dispersin modal 446Prdidas en acoplamiento 448

FUENTES LUMINOSAS 450Potencia ptica 451

FUENTES PTICAS 452Diodos emisores de luz 452Diodo de lser de inyeccin 457

xvi Contenido

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DETECTORES DE LUZ 458Diodos PIN 458Fotodiodos de avalancha 460Caractersticas de los detectores de luz 460

LSERES 460Tipos de lser 461Caractersticas de los lseres 461Construccin de los lseres 461

PROVISIN PARA ENLACE EN EL SISTEMA DE FIBRA PTICA 462PREGUNTAS 464PROBLEMAS 465

CAPTULO 12 COMUNICACIONES DIGITALES 467

INTRODUCCIN 467COMUNICACIONES DIGITALES 468LMITE DE SHANNON DE CAPACIDAD DE INFORMACIN 468RADIO DIGITAL 470MODULACIN DIGITAL DE AMPLITUD 470MANIPULACIN POR DESPLAZAMIENTO DE FRECUENCIA 471

Rapidez de bits FSK y baudios 472Transmisor FSK 473Consideraciones de FSK respecto del ancho de banda 474Receptor FSK 476Manipulacin por desplazamiento de frecuencia con fase continua 477

MANIPULACIN POR DESPLAZAMIENTO DE FASE 478Manipulacin por desplazamiento binario de fase 478Codificacin M-aria 482Manipulacin por desplazamiento cuaternario de fase 484PSK de ocho fases 490PSK de diecisis fases 496

MODULACIN DE AMPLITUD EN CUADRATURA 496Ocho QAM 496Diecisis QAM 500

EFICIENCIA DE ANCHO DE BANDA 504RECUPERACIN DE PORTADORA 505

Lazo cuadrtico 505Lazo de costas 506Remodulador 507

MANIPULACIN POR DESPLAZAMIENTO DIFERENCIAL DE FASE 507BPSK diferencial 507

RECUPERACIN DE RELOJ 509PROBABILIDAD DE ERROR Y TASA DE ERRORES DE BITS 509

Errores en PSK 512Errores en QAM 515Errores en FSK 516

CODIFICACIN TRELLIS 517PREGUNTAS 521PROBLEMAS 522

Contenido xvii

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CAPTULO 13 COMUNICACIN DE DATOS 524

INTRODUCCIN 524HISTORIA DE LA COMUNICACIN DE DATOS 524ORGANIZACIONES NORMATIVAS PARA COMUNICACINDE DATOS 525CIRCUITOS DE COMUNICACIN DE DATOS 526

Transmisin de datos en serie y en paralelo 526Configuraciones 528Topologas 528Modos de transmisin 528Comparacin de la operacin con dos y con cuatro hilos 529

CDIGOS DE COMUNICACIN DE DATOS 530Cdigo de Baudot 530Cdigo ASCII 531Cdigo EBCDIC 533Cdigos de barras 533

CONTROL DE ERRORES 535Deteccin de errores 535Correccin de errores 541

SINCRONIZACIN 543Sincronizacin de caracteres 543

COMPONENTES EN LA COMUNICACIN DE DATOS 545Unidad de control de lnea (LCU) 546

INTERFACES EN MODO SERIE 552INTERFAZ RS-232 552

Normas de las interfaces RS-449 y RS-530 557CCITT X.21 558

INTERFACES PARALELAS 559Interfaz paralela Centronics 560Bus IEEE 488 563

LA RED TELEFNICA 566Red DDD 566Servicio de lnea privada 571

EL CIRCUITO TELEFNICO 572El lazo local 572Parmetros de transmisin 574

MDEMS DE DATOS 588Mdems asncronos 589Mdems sncronos 590Sincronizacin del mdem 591Mdems de baja velocidad 591Mdems de velocidad media y alta 592Control del mdemconjunto de rdenes AT 595Recomendaciones de CCITT para los mdems 596Recomendacin CCITT V.29 596Recomendacin CCITT V.32 para mdems 598Recomendaciones CCITT V.32bis y V.32terbo para mdems 598Recomendacin CCITT V.33 para mdems 599Recomendacin CCITT V.42 y V.42bis para mdems 599Recomendacin CCITT V.32 (V.fast) para mdems 600Recomendacin CCITT V.34 para mdems 601

xviii Contenido

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CAPTULO 14 PROTOCOLOS DE COMUNICACIN DE DATOSY CONFIGURACIONES DE RED 605

INTRODUCCIN 605INTERCONEXIN DE SISTEMAS ABIERTOS 606

La jerarqua de protocolos ISO 606Modo de carcter 608Modo de bloque 608

PROTOCOLOS ASNCRONOS 608PROTOCOLOS SNCRONOS 610

Protocolo bisync de IBM 610Comunicaciones de enlace de datos sncronos 614Operacin del lazo SDLC 621Transparencia 623Abortar mensaje 623Codificacin por inversin en cero 623Control de alto nivel para enlace de datos 624

RED PBLICA DE DATOS 626Red con valor agregado 626Red de conmutacin de paquetes 626Clase de servicio CCITT X.1 para usuario internacional 627

PROTOCOLO DE USUARIO Y RED CCITT X.25 628Circuito virtual permanente 629Llamada virtual 629Diagrama de datos 630Formato de paquete X.25 630Las normas recomendadas de la serie X 631Modo de transferencia asncrona 631Red ptica sncrona 634

RED DIGITAL DE SERVICIOS INTEGRADOS (ISDN) 636Introduccin a la ISDN 636Arquitectura de la ISDN 638Conexiones y unidades de interfaz del sistema ISDN 639Protocolos ISDN 640ISDN de banda ancha 643

REDES DE REA LOCAL 645Consideraciones sobre sistemas de red de rea local 647

ANILLO DE PASO DE TESTIGO 651Anillo con muescas 654Bus de testigo 654

ETHERNET 654Ethernet 10BASE-5 655Ethernet 10BASE-2 656Ethernet 10BASE-T 656Formato de datos en Ethernet 657Operacin del sistema 658

INTERFAZ DE DATOS DISTRIBUIDOS EN FIBRA 659Nodos FDDI 660

Contenido xix

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Red FDDI con lneas de transmisin de par de conductores metlicostrenzados 662Canal Fibre 662Ethernet 100BASE-T 663


CAPTULO 15 TRANSMISIN DIGITAL 667

INTRODUCCIN 667Ventajas de la transmisin digital 667Desventajas de la transmisin digital 668

MODULACIN DE PULSO 668MODULACIN POR CDIGO DE PULSO 668

Muestreo PCM 669Frecuencia de muestreo 673Cdigo binario reflejado 675Rango dinmico 677Eficiencia de codificacin 680Relacin de seal a ruido de cuantizacin 680Comparacin de cdigos PCM lineales y no lineales 681Ruido de canal inactivo 682Mtodos de codificacin 682Compresin-expansin 683Compresin-expansin analgica 683Compresin-expansin digital 686Error porcentual 693Codificadores de voz 693Velocidad de PCM de la lnea 694

PCM DE MODULACIN DELTA 695Transmisor con modulacin delta 695Receptor con modulacin delta 696

PCM DE MODULACIN DELTA ADAPTATIVA 697MODULACIN POR CDIGO DE IMPULSOS DIFERENCIAL 698TRANSMISIN DE PULSOS 698

Interferencia entre smbolos 700Patrones de ojo 702

POTENCIA DE SEALES DIGITALES BINARIAS 703PREGUNTAS 704PROBLEMAS 705

CAPTULO 16 MULTIPLEXADO 708

INTRODUCCIN 708MULTIPLEXADO POR DIVISIN DE TIEMPO 708SISTEMA DE PORTADORA DIGITAL T1 709

Bancos de canales tipo D 712Formato de supertrama 713Formato de supertrama extendido 714

SISTEMA CCITT DE PORTADORA MULTIPLEXADA POR DIVISINDE TIEMPO 717CODECS 717

xx Contenido

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CHIPS COMBINADOS 718Funcionamiento general 718Modo de velocidad fija de datos 719Modo de velocidad variable de datos 726Sealizacin de supervisin 728

JERARQUA DIGITAL EN NORTEAMRICA 728Terminales de grupo maestro y de televisin comercial 728Terminal de telfono visual 730Terminal de datos 731

CODIFICACIN DE LNEA 732Voltajes de transmisin y componente de CD 732Ciclo de trabajo 732Consideraciones de ancho de banda 733Recuperacin de reloj 734Deteccin de errores 734Facilidad de deteccin y decodificacin 734Bifsica digital, de Miller y dicdigos 734

PORTADORAS T 736Sistemas de portadora T1 y T1C 737Sistema de portadora T2 738Sistema de portadora T3 739Sistema de portadora T4M 739Sistema de portadora T5 739

SINCRONIZACIN DE TRAMA 739Sincronizacin por dgito agregado 739Sincrona por reemplazo de dgitos 740Sincrona por canal agregado 740Sincrona estadstica 740Sincronizacin por cdigo de una lnea 741

INTERCALACIN DE BIT E INTERCALACIN DE PALABRA 741MULTIPLEXADO ESTADSTICO POR DIVISIN DE TIEMPO 741MULTIPLEXADO POR DIVISIN DE FRECUENCIA 743JERARQUA FDM DE AT&T 744

Comunicaciones de larga distancia con FDM 744Canal de mensaje 744Grupo bsico 745Supergrupo bsico 745Grupo maestro bsico 745Agrupamientos mayores 746

SEAL COMPUESTA EN BANDA BASE 746Formacin de grupos y supergrupos 746

FORMACIN DE UN GRUPO MAESTRO 748Grupo maestro U600 748Grupo maestro L600 751Formacin de un canal de radio 752

MULTIPLEXADO POR DIVISIN DE LONGITUD DE ONDA 754Comparacin de multiplexado por divisin de longitud de onday por divisin de frecuencia 754D-WDM, longitudes de onda y canales de longitudes de onda 754Ventajas y desventajas del WDM 757Componentes de los circuitos WDM 757

Contenido xxi

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Acopladores por divisin de longitud de onda 758WDM y la red ptica sncrona 758


CAPTULO 17 RADIOCOMUNICACIONES POR MICROONDASY GANANCIA DEL SISTEMA 761

INTRODUCCIN 761VENTAJAS DE LAS RADIOCOMUNICACIONESPOR MICROONDAS 762MICROONDAS ANALGICAS Y DIGITALES 763MODULACIN DE FRECUENCIA Y DE AMPLITUD 763SISTEMA DE RADIO DE MICROONDAS CON FRECUENCIAMODULADA 763

Radiotransmisor de microondas de FM 764Radiorreceptor de microondas de FM 765

RADIO REPETIDORAS DE MICROONDAS DE FM 765DIVERSIDAD 768

Diversidad de frecuencia 769Diversidad espacial 769Diversidad de polarizacin 771Diversidad hbrida 771Diversidad cudruple 771

ARREGLOS DE CONMUTACIN DE PROTECCIN 771Reserva continua 771Diversidad 773Confiabilidad 773

ESTACIONES DE RADIO DE MICROONDAS FM 773Estacin terminal 773Estacin repetidora 776

CARACTERSTICAS DE LA TRAYECTORIA 781Desvanecimiento 782

GANANCIA DEL SISTEMA 782Prdidas en la trayectoria en espacio libre 783Margen de desvanecimiento 784Umbral del receptor 785Relaciones de portadora a ruido y de seal a ruido 786Factor de ruido e ndice de ruido 786


CAPTULO 18 COMUNICACIONES SATELITALES 793

INTRODUCCIN 793HISTORIA DE LOS SATLITES 794LEYES DE KEPLER 795RBITAS DE SATLITES 797

Categoras de elevacin de satlites 797Trayectorias orbitales de los satlites 798

SATLITES GEOESTACIONARIOS 801Velocidad orbital de un satlite geosncrono 803Tiempo de retardo por viaje redondo para los satlites geosncronos 803

xxii Contenido

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rbita de Clarke 803Ventajas y desventajas de los satlites geosncronos 803

NGULOS VISUALES DE UNA ANTENA 805ngulo de elevacin 805ngulo de azimut 807Lmites de visibilidad 808

CLASIFICACIONES, ESPACIAMIENTO Y ASIGNACIN DEFRECUENCIAS DE SATLITES 809PATRN DE RADIACIN DE ANTENAS SATELITALES: HUELLAS 812

Haces locales y zonales 813Haces hemisfricos 814Haces globales 814Reuso 814

MODELOS DE ENLACE DE SISTEMAS SATELITALES 815Modelo de enlace de subida 815Transpondedor 815Modelo de enlace de bajada 816Enlaces cruzados 816

PARMETROS DEL SISTEMA DE SATLITES 817Prdida por reduccin 817Potencia de transmisin y energa de bit 817Potencia efectiva irradiada isotrpicamente 818Temperatura equivalente de ruido 819Densidad de ruido 820Relacin de portadora a densidad de ruido 821Relacin de energa de bit a densidad de ruido 821Relacin de ganancia a temperatura equivalente de ruido 825

ECUACIONES DE ENLACE DEL SISTEMA DE SATLITES 826ECUACIONES DE ENLACE 826

Ecuacin de enlace de subida 826Ecuacin de enlace de bajada 827

GASTOS DE ENLACE 827PREGUNTAS 832PROBLEMAS 832

CAPTULO 19 ARREGLOS DE ACCESO MLTIPLE A SATLITES 835

INTRODUCCIN 835SISTEMAS SATELITALES FDM/FM 835

Satlite de comunicaciones Anik-E 837ACCESO MLTIPLE 837

Acceso mltiple por divisin de frecuencia 838Acceso mltiple por divisin de tiempo 842Acceso mltiple por divisin de cdigo 845

CAPACIDAD DE CANAL 850Interfaces digitales no interpoladas 850Interfaz digital interpolada de voz 850Interpolacin de voz por asignacin de tiempo 851

RADIONAVEGACIN POR SATLITE 851Navegacin Loran 852GPS Navstar 852Servicios de posicionamiento global (GPS) 853

Contenido xxiii

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Segmentos de Navstar 853GPS diferencial 862


CAPTULO 20 SERVICIO TELEFNICO MVIL 864

INTRODUCCIN 864EVOLUCIN DEL TELFONO MVIL 865SERVICIOS DE COMUNICACIONES MVILES EN DOS SENTIDOS 866TELFONO CELULAR 866

Conceptos bsicos del telfono celular 867Reutilizacin de frecuencia 868Interferencia 870Divisin de clula 872Sectorizacin 873Segmentacin y dualizacin 873Estructura del sistema de clulas 874

TELFONO CELULAR ANALGICO 878Asignacin de frecuencias AMPS 878Clasificacin AMPS de telfonos celulares 880Canal de control AMPS 880Sealizacin de canal de voz 882Tonos de audio de supervisin y sealizacin 882Acceso mltiple por divisin de frecuencia N-AMPS 884Telfono celular ETACS 884Diagrama de bloques del telfono celular analgico 884

TELFONO CELULAR DIGITAL 885Canales de control USDC 886Canal de voz digital USDC 887Codificacin de voz 888Esquema de modulacin digital USDC 891Canal de control digital USDC 891

SISTEMA TELEFNICO CELULAR DIGITAL DE ACCESO MLTIPLEPOR DIVISIN DE CDIGO (IS-95) 894

Acceso mltiple por divisin de cdigo 894Canales de trfico CDMA 897

SISTEMA GLOBAL PARA COMUNICACIONES MVILES 898Servicios de GSM 899Arquitectura del sistema GSM 899Subsistema de radio GSM 900

SISTEMA SATELITAL DE COMUNICACIONES PERSONALES 900Mercado proyectado del PCSS 901Requisitos de la industria del PCSS 901Ventajas y desventajas del PCSS 901Proveedores de PCSS 901Sistema de satlites Iridium 901


xxiv Contenido

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APNDICE A EL DIAGRAMA DE SMITH 907

INTRODUCCIN 907DEDUCCIN DEL DIAGRAMA DE SMITH 909

Lneas de Re(z) constante 909Lneas de X(z) constante 910Inversin de impedancia (admitancia) 910Complejo conjugado 911

GRAFICACIN DE LA IMPEDANCIA, ADMITANCIA Y SWREN EL DIAGRAMA DE SMITH 911IMPEDANCIA DE ENTRADA Y LA GRFICA DE SMITH 913

Compensacin con transformador de cuarto de onda en la grficade Smith 918Lnea de acoplamiento mediante stub, con el diagrama de Smith 922

PROBLEMAS 925

RESPUESTAS A PROBLEMAS SELECCIONADOS 926

NDICE 935

Contenido xxv

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INTRODUCCIN

El objetivo fundamental de un sistema electrnico de comunicaciones, es transferir informacinde un lugar a otro. Por consiguiente, se puede decir que las comunicaciones electrnicas son latransmisin, recepcin y procesamiento de informacin entre dos o ms lugares, mediante cir-cuitos electrnicos. La fuente original de informacin puede estar en forma analgica (conti-nua), como por ejemplo la voz humana o la msica, o en forma digital (discreta), como por ejem-plo los nmeros codificados binariamente o los cdigos alfanumricos. Sin embargo, todas lasformas de informacin se deben convertir a energa electromagntica antes de ser propagadas atravs de un sistema electrnico de comunicaciones.

Samuel Morse desarroll en 1837 el primer sistema electrnico de comunicaciones.Us la induccin electromagntica para transferir informacin en forma de puntos, rayas y es-pacios entre un transmisor y un receptor sencillos, usando una lnea de transmisin que con-sista en un tramo de conductor metlico. Llam telgrafo a su invento. En 1876, AlexanderGraham Bell y Thomas A. Watson fueron los primeros en transferir en forma exitosa la con-versacin humana a travs de un sistema sencillo de comunicaciones con hilo metlico, al quellamaron telfono.

Guglielmo Marconi transmiti por primera vez seales de radio, sin hilos, a travs de laatmsfera terrestre, en 1894, y Lee DeForest invent en 1908 el triodo, o vlvula al vaco, quepermiti contar con el primer mtodo prctico para amplificar las seales elctricas. La radio co-mercial comenz en 1920, cuando las estaciones de radio comenzaron a emitir seales de am-plitud modulada (AM), y en 1933 el mayor Edwin Howard Armstrong invent la modulacinde frecuencia (FM). La emisin comercial en FM comenz en 1936.

Aunque los conceptos y principios fundamentales de las comunicaciones electrnicas hancambiado poco desde su introduccin, los mtodos y circuitos con que se realizan han sufridograndes cambios. En los aos recientes, los transistores y los circuitos integrados lineales hansimplificado el diseo de los circuitos de comunicacin electrnica, permitiendo as la miniatu-rizacin, mejor eficiencia y confiabilidad y costos generales menores. En los aos recientes hahabido una necesidad abrumadora de comunicacin entre cada vez ms personas. Esta urgente

1

Introduccin a lascomunicaciones electrnicas

1C A P T U L O

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necesidad ha estimulado un crecimiento gigantesco de la industria de comunicaciones electr-nicas. Los sistemas electrnicos modernos de comunicacin incluyen los de cable metlico, pormicroondas y los satelitales, as como los sistemas de fibra ptica.

SISTEMAS ELECTRNICOS DE COMUNICACIONES

La fig. 1-1 muestra un diagrama de bloques simplificado de un sistema electrnico de comuni-caciones, que comprende un transmisor, un medio de transmisin y un receptor. Un transmisores un conjunto de uno o ms dispositivos o circuitos electrnicos que convierte la informacinde la fuente original en una seal que se presta ms a su transmisin a travs de determinado me-dio de transmisin. El medio de transmisin transporta las seales desde el transmisor hasta elreceptor, y puede ser tan sencillo como un par de conductores de cobre que propaguen las sea-les en forma de flujo de corriente elctrica. Tambin se puede convertir la informacin a ondaselectromagnticas luminosas, propagarlas a travs de cables de fibra ptica hechas de vidrio ode plstico, o bien se puede usar el espacio libre para transmitir ondas electromagnticas de ra-dio, a grandes distancias o sobre terreno donde sea difcil o costoso instalar un cable fsico. Unreceptor es un conjunto de dispositivos y circuitos electrnicos que acepta del medio de trans-misin las seales transmitidas y las reconvierte a su forma original.

MODULACIN Y DEMODULACIN

Como a menudo no es prctico propagar seales de informacin a travs de cables metlicos ode fibra ptica, o a travs de la atmsfera terrestre, con frecuencia es necesario modular la in-formacin de la fuente, con una seal analgica de mayor frecuencia, llamada portadora. Enesencia, la seal portadora transporta la informacin a travs del sistema. La seal de informa-cin modula a la portadora, cambiando su amplitud, su frecuencia o su fase. Modulacin noes ms que el proceso de cambiar una o ms propiedades de la portadora, en proporcin con laseal de informacin.

Los dos tipos bsicos de comunicaciones electrnicas son analgico y digital. Un sistemaanalgico de comunicaciones es aquel en el cual la energa se transmite y se recibe en forma ana-lgica: una seal de variacin continua, como por ejemplo una onda senoidal. En los sistemasanalgicos de comunicaciones, tanto la informacin como la portadora son seales analgicas.

Sin embargo, el trmino comunicaciones digitales abarca una amplia variedad de tcnicasde comunicacin, que incluyen transmisin digital y radio digital. La transmisin digital es unsistema digital verdadero, donde los pulsos digitales (con valores discretos, como +5V y tierra)se transfieren entre dos o ms puntos en un sistema de comunicaciones. Con la transmisin di-gital no hay portadora analgica, y la fuente original de informacin puede tener forma digitalo analgica. Si est en forma analgica se debe convertir a pulsos digitales antes de transmitirla,y se debe reconvertir a la forma analgica en el extremo de recepcin. Los sistemas de transmi-sin digital requieren una instalacin fsica entre el transmisor y el receptor, como por ejemploun conductor metlico o un cable de fibra ptica.

2 Captulo 1

Fuente deinformacin

Transmisor

Medio detransmisin

ReceptorDestino de

informacin

FIGURA 1-1 Diagrama simplificado de bloques de un sistema de comunicaciones electrnicas

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La radio digital es la transmisin de portadoras analgicas moduladas digitalmente, entredos o ms puntos en un sistema de comunicaciones. En la radio digital, la seal moduladora yla seal demodulada son pulsos digitales. Estos pulsos se pueden originar en un sistema digitalde transmisin, en una fuente digital, como por ejemplo una computadora, o pueden ser una se-al analgica codificada en binario. En los sistemas digitales de radio, el medio de transmisinpuede ser una instalacin fsica o el espacio libre (es decir, la atmsfera terrestre). Los sistemasanalgicos de comunicaciones fueron los primeros en ser desarrollados; sin embargo, en tiem-pos recientes, se han popularizado ms los sistemas digitales de comunicaciones.

La ecuacin 1-1 es la descripcin general de una onda senoidal de voltaje, variable en eltiempo, como puede ser una seal portadora de alta frecuencia. Si la seal de informacin esanalgica, y la amplitud (V) de la portadora es proporcional a ella, se produce la modulacin deamplitud (AM, por amplitude modulation). Si se vara la frecuencia ( f ) en forma proporcionala la seal de informacin, se produce la modulacin de frecuencia (FM, de frequency modula-tion); por ltimo, si se vara la fase () en proporcin con la seal de informacin, se produce lamodulacin de fase (PM, de phase modulation).

Si la seal de informacin es digital, y la amplitud (V) de la portadora se vara proporcio-nalmente a la seal de informacin, se produce una seal modulada digitalmente, llamada modu-lacin por conmutacin de amplitud (ASK, de amplitude shift keying). Si la frecuencia ( f ) va-ra en forma proporcional a la seal de informacin se produce la modulacin por conmutacinde frecuencia (FSK, de frequency shift keying), y si la fase () vara de manera proporcional a laseal de informacin, se produce la modulacin por conmutacin de fase (PSK, de phase shiftkeying). Si se varan al mismo tiempo la amplitud y la fase en proporcin con la seal de informa-cin, resulta la modulacin de amplitud en cuadratura (QAM, de quadrature amplitude modula-tion). Los sistemas ASK, FSK, PSK y QAM son formas de modulacin digital, y se describirncon detalle en el captulo 12.

v(t) V sen(2ft ) (1-1)

donde v(t) voltaje variable senoidalmente en el tiempoV amplitud mxima (volts)f frecuencia (hertz) desplazamiento de fase (radianes)

A continuacin se muestra un resumen de las diversas tcnicas de modulacin

Introduccin a las comunicaciones electrnicas 3

sealmodulante modulacin efectuada

analgica AM FM PM

v(t) V sen (2 f t )

digital ASK FSK PSK

QAM

La modulacin se hace en un transmisor mediante un circuito llamado modulador. Unaportadora sobre la que ha actuado una seal de informacin se llama onda modulada o seal mo-dulada. La demodulacin es el proceso inverso a la modulacin, y reconvierte a la portado-ra modulada en la informacin original (es decir, quita la informacin de la portadora). La de-modulacin se hace en un receptor, con un circuito llamado demodulador.

Hay dos razones por las que la modulacin es necesaria en las comunicaciones electrni-cas: 1) Es en extremo difcil irradiar seales de baja frecuencia en forma de energa electro-magntica, con una antena, y 2) ocasionalmente, las seales de la informacin ocupan la mismabanda de frecuencias y si se transmiten al mismo tiempo las seales de dos o ms fuentes, inter-ferirn entre s. Por ejemplo, todas las estaciones comerciales de FM emiten seales de voz y

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msica que ocupan la banda de audiofrecuencias, desde unos 300 Hz hasta 15 kHz. Para evitarsu interferencia mutua, cada estacin convierte a su informacin a una banda o canal de frecuen-cia distinto. Se suele usar el trmino canal para indicar determinada banda de frecuencias asig-nada a determinado servicio. Un canal normal de banda de voz ocupa ms o menos 3 kHz de an-cho de banda, y se usa para transmitir seales como las de voz; los canales comerciales deemisin en AM ocupan una banda de frecuencias de 10 kHz, y en los canales de radio de mi-croondas y va satlite se requiere un ancho de banda de 30 MHz o ms.

La fig. 1-2 es el diagrama simplificado de bloques de un sistema electrnico de comuni-caciones, donde se ven las relaciones entre la seal moduladora, la portadora de alta frecuenciay la onda modulada. La seal de informacin (que a veces se llama en ingls seal de inteligen-cia) se combina con la portadora en el modulador, y se produce la onda modulada. La informa-cin puede estar en forma analgica o digital, y el modulador puede efectuar modulacin anal-gica o digital. En el transmisor se hace una conversin elevadora de las seales de informacin,de bajas frecuencias a altas frecuencias, y se hace una conversin descendente en el receptor, dealtas frecuencias a bajas frecuencias. El proceso de convertir una frecuencia, o banda de frecuen-cias, y pasarla a otro lugar en el espectro total de frecuencias, se llama translacin de fre-cuencia. La translacin de frecuencia es una parte intrincada de las comunicaciones electrni-cas, porque se deben hacer muchas veces las conversiones elevadoras y descendentes cuando setransportan a travs del sistema llamado canal. La seal modulada se transporta hasta el re-ceptor a travs de un sistema de transmisin. En el receptor se amplifica la seal modulada,se convierte en frecuencia menor y a continuacin se demodula, para reproducir la informacinoriginal de la fuente.

EL ESPECTRO ELECTROMAGNTICO

El objetivo de un sistema electrnico de comunicaciones es transferir informacin entre doso ms lugares, cuyo nombre comn es estaciones. Esto se logra convirtiendo la informacinoriginal a energa electromagntica, para transmitirla a continuacin a una o ms estacionesreceptoras, donde se reconvierte a su forma original. La energa electromagntica se puedepropagar en forma de voltaje o corriente, a travs de un conductor o hilo metlico, o bien enforma de ondas de radio emitidas hacia el espacio libre, o como ondas luminosas a travs deuna fibra ptica. La energa electromagntica se distribuye en un intervalo casi infinito de fre-cuencias.

La frecuencia no es ms que la cantidad de veces que sucede un movimiento peridico,como puede ser una onda senoidal de voltaje o de corriente, durante determinado periodo. Cadainversin completa de la onda se llama ciclo. La unidad bsica de frecuencia es el hertz (Hz), yun hertz es igual a un ciclo por segundo (1 Hz = 1 cps). En electrnica se acostumbra usar pre-fijos mtricos para representar las grandes frecuencias. Por ejemplo, se usa el kHz (kilohertz)para indicar miles de hertz, y el MHz (megahertz) para indicar millones de hertz.

4 Captulo 1

Sealmoduladora informacin

(baja frecuencia)

Modulador(convertidor

elevador)

Medio de transmisin

(canal)

Amplificador(convertidor

descen-dente)

Demodulador

Sealdemodulada informacin

(baja frecuencia)

Osciladorlocal

(alta frecuencia)

Osciladorde portadora

(alta frecuencia)

Transmisor Receptor

FIGURA 1-2 Diagrama de bloques de un sistema de comunicaciones

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Frecuencias de transmisinEl espectro electromagntico de frecuencias total, donde se muestran los lugares aproximadosde diversos servicios, se ve en la fig. 1-3. Este espectro de frecuencias va desde las subsnicas(unos pocos hertz) hasta los rayos csmicos (1022 Hz).

El espectro de frecuencias se subdivide en subsecciones o bandas. Cada banda tiene unnombre y sus lmites. En los Estados Unidos, las asignaciones de frecuencias para radio propa-gacin en el espacio libre son realizadas por la Comisin Federal de Comunicaciones (FCC).Por ejemplo, la banda de emisin comercial en FM tiene asignadas las frecuencias de 88 MHza 108 MHz. Las frecuencias exactas asignadas a transmisores especficos que funcionan en lasdiversas clases de servicio se actualizan y alteran en forma constante, para cumplir con las ne-cesidades de comunicaciones en una nacin.

El espectro total til de radiofrecuencias (RF) se divide en bandas de frecuencia ms an-gostas, a las que se dan nombres y nmeros descriptivos, y algunas de ellas se subdividen asu vez en diversos tipos de servicios. Las designaciones de banda segn el Comit consultivo in-ternacional de radio (CCIR) se muestran en la tabla 1-1. Estas designaciones se resumen comosigue

Frecuencias extremadamente bajas (ELF, de extremely low frequencies). Son seales enel intervalo de 30 a 300 Hz, y comprenden las seales de distribucin elctrica (60 Hz) ylas de telemetra de baja frecuencia.

Frecuencias de voz (VF, de voice frequencies). Son seales en el intervalo de 300 a 3000Hz, e incluyen a las que generalmente se asocian a la voz humana. Los canales telefni-cos normales tienen un ancho de banda de 300 a 3000 Hz, y con frecuencia se llaman ca-nales de frecuencia de voz, o canales de banda de voz.

Frecuencias muy bajas (VLF, de very low frequencies). Son seales dentro de los lmitesde 3 a 30 kHz, que comprenden al extremo superior del intervalo audible humano. LasVLF se usan en algunos sistemas especiales, del gobierno y militares, como por ejemplolas comunicaciones con submarinos.

Frecuencias bajas (LF, de low frequencies). Son seales en el intervalo de 30 a 300 kHz,y se usan principalmente en la navegacin marina y aeronutica.

Frecuencias intermedias (MF, de medium frequencies). Son seales de 300 kHz a 3 MHz,y se usan principalmente para emisiones comerciales de radio AM (535 a 1605 kHz).

Frecuencias altas (HF, de high frequencies). Seales en el intervalo de 3 a 30 MHz, confrecuencia llamadas ondas cortas. La mayora de las radiocomunicaciones en dos senti-dos usa este intervalo, y la Voz de Amrica y la Radio Europa Libre transmiten en l. Tam-bin los radio aficionados y la banda civil (CB) usan seales de HF.

Muy altas frecuencias (VHF, por very high frequencies). Son seales de 30 a 300 MHz,y se usan en radios mviles, comunicaciones marinas y aeronuticas, emisin comer-cial en FM (de 88 a 108 MHz) y en la emisin de televisin, en los canales 2 a 13 (54a 216 MHz).

Frecuencias ultra altas (UHF, de ultrahigh frequencies). Son seales entre los lmites de300 MHz a 3 GHz, y las usa la emisin comercial de televisin, en los canales 14 a 83, en


Subsnico Audio

Ultra-snico

Banda de radiofrecuenciasBanda de fibras pticas

Microondas terrestresRadioAM

TVFM

satlitey radar Infrarrojo Visible Ultravioleta Rayos X

Rayosgamma

Rayoscsmicos

Frecuencia (Hz)

FIGURA 1-3 Espectro electromagntico de frecuencias

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los servicios mviles de comunicaciones terrestres, telfonos celulares, algunos sistemasde radar y de navegacin, y los sistemas de radio por microondas y por satlite. Hablan-do con generalidad, se considera que las frecuencias mayores que 1 GHz son de microon-das, y eso incluye al extremo superior del intervalo de UHF.

Frecuencias super altas (SHF, por superhigh frequencies). Son seales de 3 a 30 GHz,donde est la mayora de las frecuencias que se usan en sistemas de radiocomunicacionespor microondas y satelitales.

Frecuencias extremadamente altas (EHF, de extremely high frequencies). Son seales en-tre 30 y 300 GHz, y casi no se usan para radiocomunicaciones, a excepcin de aplicacio-nes muy complicadas, costosas y especializadas.

Infrarrojo. Las frecuencias del infrarrojo son seales de 0.3 a 300 THz, y por lo gene-ral no se les considera como ondas de radio. Infrarrojo indica una radiacin electro-magntica que en general se asocia con el calor. Las seales infrarrojas se usan en sis-temas de gua de proyectiles con blancos trmicos, o con la fotografa electrnica y laastronoma.

Luz visible. En la luz visible se incluyen las frecuencias electromagnticas captadas porel ojo humano (0.3 a 3 PHz). Las comunicaciones con ondas luminosas se usan en los sis-temas de fibra ptica, que en los ltimos aos han llegado a ser un medio principal detransmisin en los sistemas electrnicos de comunicaciones.

Rayos ultravioleta, rayos X, rayos gamma y rayos csmicos: tienen poca aplicacin en lascomunicaciones electrnicas y en consecuencia no se describirn.

Cuando se manejan ondas de radio se acostumbra usar unidades de longitud de onda,y no de frecuencia. La longitud de onda es la distancia que ocupa en el espacio un ciclo deuna onda electromagntica, es decir, la distancia entre los puntos correspondientes en unaonda repetitiva. La longitud de onda es inversamente proporcional a la frecuencia de la on-da, y directamente proporcional a su velocidad de propagacin. Se supone que la velocidad

6 Captulo 1

TABLA 1-1 Designaciones de banda CCIR

Nmero Intervalode banda de frecuencias* Designacin

2 30 Hz300 Hz ELF (frecuencias extremadamente bajas)3 0.3 kHz3 kHz VF (frecuencias de voz)4 3 kHz30 kHz VLF (frecuencias muy bajas)5 30 kHz300 kHz LF (bajas frecuencias)6 0.3 MHz3 MHz MF (frecuencias intermedias)7 3 MHz30 MHz HF (frecuencias altas)8 30 MHz300 MHz VHF (frecuencias muy altas)9 300 MHz3 GHz UHF (frecuencias ultra altas)

10 3 GHz30 GHz SHF (frecuencias super altas)11 30 GHz300 GHz EHF (frecuencias extremadamente altas)12 0.3 THz3 THz Luz infrarroja13 3 THz30 THz Luz infrarroja14 30 THz300 THz Luz infrarroja15 0.3 PHz3 PHz Luz visible16 3 PHz30 PHz Luz ultravioleta17 30 PHz300 PHz Rayos X18 0.3 EHz3 EHz Rayos gamma19 3 EHz30 EHz Rayos csmicos

*100, hertz (Hz); 103, kilohertz (kHz); 106, megahertz (MHz); 109 gigahertz (GHz);1012, terahertz (THz); 1015, petahertz (PHz); 1018 exahertz (EHz)

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de propagacin de la energa electromagntica en el espacio libre es 3 108 m/s. La rela-cin entre frecuencia, velocidad y longitud de onda se expresa en forma matemtica comosigue

(1-2a)

donde longitud de onda (metros por ciclo)c velocidad de la luz (300,000,000 metros por segundo)f frecuencia (hertz)

En la fig. 1-4 se ve el espectro de longitudes de ondas electromagnticas donde se indican losdiversos servicios con sus bandas.

Ejemplo 1-1

Calcular la longitud de onda, en metros, para las siguientes frecuencias: 1 kHz, 100 kHz y 10 MHz.

Solucin Al sustituir en la ecuacin 1-2a se obtiene

La siguiente ecuacin es para calcular la longitud de onda en pulgadas.

(1-2b)

donde longitud de onda (pulgadas por ciclo)c velocidad de la luz (11.8 109 pulgadas por segundo)f frecuencia (hertz)

Clasificacin de los transmisoresPara fines de registro en Estados Unidos, los radiotransmisores se clasifican segn su ancho debanda, esquema de modulacin y tipo de informacin. Las clasificaciones de emisin se identi-fican con una clave de tres smbolos, que contiene una combinacin de letras y nmeros, comose ve en la tabla 1-2. El primer smbolo es una letra que indica el tipo de modulacin de la por-tadora principal. El segundo smbolo es un nmero que identifica al tipo de emisin, y el tercersmbolo es otra letra que describe el tipo de informacin que se transmite. Por ejemplo, ladesignacin A3E describe una seal por doble banda lateral, portadora completa, de amplitudmodulada, que conduce informacin telefnica, de voz o de msica.

c

f

300,000,000

10,000,000 30 m

300,000,000

100,000 3000 m

300,000,000

1000 300,000 m

c

f

longitud de onda velocidad

frecuencia


Longitud de onda (nanmetros)

Infrarrojo

Luzvisible Microondas

Ondas de radio

Oscilaciones elctricaslargas

Rayoscsmicos

Rayosgamma

Rayos X

Ultra-violeta

FIGURA 1-4 Espectro electromagntico de longitudes de onda

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ANCHO DE BANDA Y CAPACIDAD DE INFORMACIN

Las dos limitaciones ms importantes en el funcionamiento de un sistema de comunicacionesson el ruido y el ancho de banda. El ruido se describir ms adelante en este captulo. El anchode banda de una seal de informacin no es ms que la diferencia entre las frecuencias mximay mnima contenidas en la informacin, y el ancho de banda de un canal de comunicaciones esla diferencia entre las frecuencias mxima y mnima que pueden pasar por el canal (es decir, sonsu banda de paso). El ancho de banda de un canal de comunicaciones debe ser suficientementegrande (ancho) para pasar todas las frecuencias importantes de la informacin. En otras palabras,el ancho de banda del canal de comunicaciones debe ser igual o mayor que el ancho de bandade la informacin. Por ejemplo, las frecuencias de voz contienen seales de 300 a 3000 Hz. Porconsiguiente, un canal para frecuencias de voz debe tener una amplitud igual o mayor que 2700 Hz(3000 Hz 300 Hz). Si un sistema de transmisin de televisin por cable tiene una banda depaso de 500 a 5000 kHz, su amplitud de banda es 4500 kHz. Como regla general, un canalde comunicaciones no puede propagar una seal que contenga una frecuencia que cambie conmayor rapidez que la amplitud de banda del canal.

8 Captulo 1

TABLA 1-2 Clasificaciones FCC de emisiones

Smbolo Letra Tipo de modulacin

Primero No moduladoN Portadora no modulada

Modulacin de amplitudA Doble banda lateral, portadora de mxima potencia (DSBFC)B Banda lateral independiente, portadora de mxima potencia

(ISBFC)C Banda lateral residual, portadora de mxima potencia (VSB)H Banda lateral nica, portadora de mxima potencia (SSBFC)J Banda lateral nica, portadora suprimida (SSBSC)R Banda lateral nica, portadora reducida (SSBRC)

Modulacin de nguloF Modulacin de frecuencia (FM directa)G Modulacin de fase (FM indirecta)D AM y FM simultneas o secuenciadas

Modulacin de pulsoK Modulacin de amplitud de pulso (PAM)L Modulacin de ancho de pulso (PWM)M Modulacin de posicin de pulso (PPM)P Pulsos no modulados (datos binarios)Q ngulo modulado durante pulsosV Cualquier combinacin de categoras de modulacin de pulsoW Cualquier combinacin de dos o ms de las formas anteriores

de modulacinX Casos no descritos

Segundo 0 Sin seal moduladora1 Portadora manipulada digitalmente2 Tono manipulado digitalmente3 Analgica (sonido o video)7 Dos o ms canales digitales8 Dos o ms canales analgicos9 Analgica o digital

Tercero A Telegrafa manualB Telegrafa automtica (teletipo)C FacsmilD Datos, telemetraE Telefona (emisin de sonido)F Televisin (emisin de video)N Sin informacin transmitidaW Toda combinacin de segundas letras

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La teora de la informacin es el estudio muy profundo del uso eficiente del ancho de ban-da para propagar informacin a travs de sistemas electrnicos de comunicaciones. Esta teorase puede usar para determinar la capacidad de informacin de un sistema de comunicaciones.La capacidad de informacin es una medida de cunta informacin se puede transferir a travsde un sistema de comunicaciones en determinado tiempo. La cantidad de informacin que sepuede propagar en un sistema de transmisin es una funcin del ancho de banda y del tiempo detransmisin. R. Hartley, de los Bell Telephone Laboratories, desarroll en 1920 la relacin en-tre el ancho de banda, el tiempo de transmisin y la capacidad de informacin. La ley de Har-tley slo establece que mientras ms amplio sea el ancho de banda y mayor sea el tiempo detransmisin, se podr enviar ms informacin a travs del sistema. En forma matemtica, la leyde Hartley es

I B t (1-3)

siendo I capacidad de informacinB ancho de banda del sistema (hertz)t tiempo de transmisin (segundos)

La ecuacin 1-3 indica que la capacidad de informacin es una funcin lineal, y es directamen-te proporcional tanto al ancho de banda del sistema como al tiempo de transmisin. Si sube aldoble el ancho de banda en un sistema de comunicaciones, tambin se duplica la cantidad deinformacin que puede transportar. Si el tiempo de transmisin aumenta o disminuye, hay uncambio proporcional en la cantidad de informacin que el sistema puede transferir.

En general, mientras ms compleja sea la seal de informacin, se requiere ms amplitudde banda para transportarla en determinado tiempo. Se requieren unos 3 kHz de amplitud de ban-da para transmitir las seales telefnicas con calidad de voz. En contraste, se asignan 200 kHz deancho de banda a la transmisin comercial de FM para msica, con alta fidelidad, y se requie-ren casi 6 MHz de ancho de banda para emitir seales de televisin de alta calidad.

C. E. Shannon (tambin de Bell Telephone Laboratories) public en 1948 un trabajo en elBell System Technical Journal, donde relacion la capacidad de informacin de un canal de co-municaciones, en bits por segundo (bps), con el ancho de banda y la relacin de seal a ruido.La expresin matemtica del lmite de Shannon de capacidad de informacin es

(1-4a)

es decir,(1-4b)

donde I capacidad de informacin (bits por segundo)B ancho de banda (hertz)

relacin de potencia de seal a ruido (sin unidades)

Para un canal normal de comunicaciones en banda de voz, con una relacin de potenciasde seal a ruido de 1000 (30 dB) y un ancho de banda de 2.7 kHz, el lmite de Shannon de ca-pacidad de informacin es

I 2700 log2 (1 1000) 26.9 kbps

Con frecuencia se entiende mal la frmula de Shannon. Los resultados del ejemplo ante-rior indican que se pueden transferir 26.9 kbps a travs de un canal de 2.7 kHz. Esto podra sercierto, pero no se puede hacer en un sistema binario. Para alcanzar una rapidez de transmisinde informacin de 26.9 kbps a travs de un canal de 2.7 kHz, cada smbolo que se transfiera debecontener ms de un bit de informacin. Por consiguiente, para llegar al lmite de Shannon de ca-pacidad de informacin, se deben usar sistemas digitales de transmisin que tengan ms de doscondiciones (smbolos) de salida.

S

N

I 3.32 B log101 SN

I B log21 SN


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La ecuacin 1-4a se puede reordenar para usarla en la determinacin de cunto ancho debanda se requiere para propagar determinada cantidad de datos por un sistema.

(1-5)

donde B ancho de banda (hertz)I capacidad de informacin (bits por segundo)

relacin de potencia de seal a ruido (sin unidades)

MODOS DE TRANSMISIN

Los sistemas electrnicos de comunicaciones se pueden disear para manejar la transmisin s-lo en una direccin, en ambas direcciones, slo en una a la vez, o en ambas direcciones al mismotiempo. A stos se les llama modos de transmisin. Hay cuatro modos de transmisin posibles:smplex, semidplex, dplex y dplex/dplex.

Smplex (SX)Con el funcionamiento smplex, las transmisiones slo se hacen en una direccin. A veces, a lossistemas smplex se les llama slo en un sentido, slo recibir o slo transmitir. Una estacinpuede ser un transmisor o un receptor, pero no ambos a la vez. Como ejemplo de transmisinsmplex est la emisin comercial de radio o televisin: la estacin de radio slo transmite a uno,y uno siempre recibe.

Semidplex (HDX, de half duplex)En el funcionamiento semidplex, las transmisiones se pueden hacer en ambas direcciones, pe-ro no al mismo tiempo. A veces, a los sistemas semidplex se les llama de alternar en ambossentidos, en uno de los sentidos, o de cambio y fuera. Una estacin puede ser transmisora y re-ceptora, pero no al mismo tiempo. Los sistemas de radio en dos sentidos que usan botones parahablar (PTT, de push-to-talk) para conectar sus transmisores, como son los radios de banda ci-vil y de polica, son ejemplos de transmisin en semidplex.

Dplex total (FDX, de full duplex)Con el funcionamiento dplex total, o simplemente dplex, puede haber transmisiones en am-bas direcciones al mismo tiempo. A veces, a los sistemas dplex se les llama simultneos de dosdirecciones, dplex completos o lneas bilaterales o en ambos sentidos. Una estacin puede trans-mitir y recibir en forma simultnea; sin embargo, la estacin a la que se transmite tambin debeser de la que se recibe. Un sistema telefnico normal es un ejemplo de funcionamiento dplex.

Dplex total/general (F/FDX, de full/full duplex)Con la operacin en dplex total/general es posible transmitir y recibir en forma simultnea, pe-ro no necesariamente entre las mismas dos estaciones (es decir, una estacin puede transmitir auna segunda estacin, y recibir al mismo tiempo de una tercera estacin). Las transmisiones d-plex total/general se usan casi exclusivamente en circuitos de comunicaciones de datos. El Ser-vicio Postal en Estados Unidos es un ejemplo de funcionamiento en dplex total/general.

CONFIGURACIONES DE LOS CIRCUITOS

Los circuitos de comunicaciones electrnicas se pueden configurar en varias formas distintas. Aesas configuraciones se les llama arreglos de circuito, y pueden abarcar la transmisin a dos ya cuatro hilos.

S

N

B I

log21 SN

10 Captulo 1

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Transmisin a dos hilosComo su nombre implica, la transmisin a dos hilos usa dos conductores, uno para la seal yotro para una referencia, o tierra, o bien una configuracin de circuito que es equivalente a slodos conductores. Los circuitos de dos hilos se adaptan en forma ideal a la transmisin smplex,aunque se pueden usar en transmisiones semidplex y dplex. La lnea telefnica entre el hogardel lector y la central ms cercana es un circuito a dos hilos.

La fig. 1-5 muestra los diagramas de bloques para dos configuraciones distintas de circui-to a dos hilos. En la fig. 1-5a se ve la ms sencilla, que es un circuito pasivo formado por dosconductores que conectan a una fuente de informacin, a travs de un transmisor, con un desti-natario en el receptor. Los conductores mismos son capaces de transmitir en dos sentidos,pero el transmisor y el receptor no lo son. Para intercambiar informacin en direccin opuestahabra que cambiar los lugares del transmisor y el receptor. Por consiguiente, esta configuracinslo es capaz de transmitir en un sentido, y no incorpora ganancia a la seal. Para lograr unatransmisin semidplex con un circuito de dos hilos habra que tener un transmisor y un recep-tor en cada estacin, que deberan estar conectados al mismo par de conductores, en una formatal que no interfieran entre s.

La fig. 1-5b muestra un circuito activo a dos hilos (es decir, uno que incorpora ganancia).Con esta configuracin, un amplificador se intercala en el circuito, entre el transmisor y el recep-tor. El amplificador es un dispositivo unidireccional y en consecuencia limita las transmisionesslo a una direccin.

Para lograr las funciones de semidplex o dplex con un circuito de dos hilos, habraque alterar la informacin que viaja en direcciones opuestas de tal modo, o por algn mtodo queconvierta la fuente en destino y el destino en fuente. Se puede lograr la transmisin semidplexcon un circuito de dos hilos usando alguna forma de modulacin, para multiplexar o combinarlas dos seales de tal modo que no se interfieran entre s, pero que todava se puedan separar, oreconvertir a su forma original en el receptor. Despus, en este libro, se describirn tanto la mo-dulacin como el multiplexado.


Fuente Transmisor

Estacin A

Medio detransmisin

Seal

Referencia Receptor Destino

Estacin B

Fuente Transmisor

Estacin A

Medio detransmisin

Seal

Referencia

Receptor Destino

Estacin B

FIGURA 1-5 Configuraciones de circuito de dos hilos: (a) pasivo; (b) activo

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Transmisin a cuatro hilosEn la transmisin a cuatro hilos se usan cuatro conductores, dos en cada direccin: de seal y dereferencia o tierra, o bien una configuracin de circuito que equivalga a cuatro conductores. Loscircuitos de cuatro hilos se adaptan idealmente a la transmisin dplex. La fig. 1-6 muestra el dia-grama de bloques de un sistema activo de cuatro hilos. Como all se ve, un circuito de cuatro hilosequivale a dos circuitos de dos hilos, uno para cada direccin de transmisin. Con el funcionamien-to con cuatro hilos, el transmisor en un lugar se conecta, a travs de un medio de transmisin, conel receptor en la otra estacin, y viceversa. Sin embargo, en determinada estacin los transmisoresy receptores se pueden trabajar en forma totalmente independiente unos de otros.

Existen varias ventajas inherentes de los circuitos con cuatro hilos sobre los de dos hilos.Por ejemplo, los de cuatro hilos son bastante menos ruidosos y proporcionan ms aislamientoentre las dos direcciones de transmisin cuando se opera en semidplex o en dplex. Sin embar-go, los circuitos de dos hilos requieren menos conductor, menos circuitos y por consiguiente,menos inversin, que sus contrapartes de cuatro hilos. Las ventajas y desventajas de los circuitoscon dos y cuatro hilos se apreciarn ms a medida que el lector contine su estudio de comuni-caciones electrnicas.

Hbridos y supresores de ecoCuando se conecta un circuito de dos hilos con uno de cuatro hilos, como por ejemplo en las lla-madas telefnicas de larga distancia, se usa un circuito de interconexin, o de interfaz, llamadohbrido o equipo terminador, para efectuar la interfaz. El conjunto hbrido se usa para compen-sar impedancias y proporcionar aislamiento entre las dos direcciones de flujo de la seal.

La fig. 1-7 muestra el diagrama de bloques para conectar una red hbrida, de dos hilos concuatro hilos. La bobina hbrida compensa las variaciones de impedancia en la parte del circuitoque tiene dos hilos. Los amplificadores y los atenuadores ajustan los voltajes de seal a los va-lores requeridos, y los igualadores compensan defectos en la lnea de transmisin que afectan larespuesta en frecuencia de la seal transmitida, como pueden ser la inductancia, la capacitanciay la resistencia de la lnea. Las seales que van de oeste a este (W-E) entran al terminador des-de la lnea de dos hilos, donde se acoplan inductivamente en la seccin transmisora de oeste aeste, del circuito a cuatro hilos. Las seales recibidas de la lnea se acoplan en la seccin recep-tora de este a oeste del circuito a cuatro hilos, donde se aplican a las tomas centrales de las bo-binas hbridas. Si las impedancias de la lnea de dos hilos y de la red de balanceo se compensanen forma adecuada, todas las corrientes producidas por la seal E-W en la mitad superior del h-brido, sern de magnitud igual pero de polaridad opuesta. En consecuencia, los voltajes induci-dos en los secundarios estarn desfasados 180 entre s y, por lo tanto, se anularn. Esto evita quecualquier parte de la seal recibida se regrese al transmisor en forma de eco.

12 Captulo 1

Fuente Transmisor

Estacin A

Seal

Referencia

Receptor Destino

Estacin B

Destino Receptor

Seal

Referencia

Transmisor Fuente

Medio detransmisin

Amp

Amp

FIGURA 1-6 Circuito activo de cuatro hilos

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Si no se compensa la impedancia de la lnea de dos hilos con la de la red equilibradora,los voltajes inducidos en los secundarios de la bobina hbrida no se anularn por completo.Este desequilibrio hace que una parte de la seal recibida regrese al emisor, en la parte W-Edel circuito de cuatro hilos. Quien habla oye como eco la parte regresada de la seal y, si lademora de esta seal en su ida y vuelta es mayor de unos 45 ms, el eco puede volverse bas-tante molesto. Para eliminarlo se insertan los llamados supresores de eco en un extremo delcircuito de cuatro hilos. La fig. 1-8 muestra un diagrama de bloques simplificado de un supre-sor de eco. El detector de voz siente la presencia y la direccin de la seal. Entonces activa al


Atenuadoresfijos Amplificador

AmplificadorAtenuadoresfijos

Igualadores

Lnea W-E

Lnea W-E

Bobina hbridaRed

balanceadora

Igualadores

Lnea decuatro hilos

Lnea de dos hilos

FIGURA 1-7 Terminador de dos a cuatro hilos (hbrido)

Hbrido oeste

AmplificadorW-E

Detectorde voz

Hbrido este

AmplificadorE-W

FIGURA 1-8 Supresor de ecos

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amplificador en la direccin correcta y desactiva al amplificador en la direccin opuesta, evi-tando as que el eco regrese a quien habla. Si la conversacin cambia rpidamente de direc-cin, la persona que escucha puede or cuando el supresor de eco se enciende y se apaga, yaque cada vez que un supresor de eco detecta la voz y se activa, el primer instante de sonido seelimina del mensaje, y se obtiene una voz entrecortada. Con un supresor de eco en el circui-to no puede haber transmisiones en ambas direcciones al mismo tiempo y, por consiguiente,la operacin del circuito se limita a semidplex. Las compaas comunes de larga distancia,como AT&T, por lo general ponen supresores de eco en circuitos de cuatro hilos de longitudmayor a 1500 millas elctricas (ya que mientras ms largo es el circuito, la demora por ida yvuelta es mayor).

ANLISIS DE SEALES

Cuando se disean los circuitos electrnicos de comunicaciones, con frecuencia se tiene queanalizar y pronosticar el funcionamiento del circuito con base en la distribucin de potencia yla composicin de frecuencias de la seal de informacin. Esto se hace con el mtodo matem-tico llamado anlisis de seales. Aunque todas las seales en las comunicaciones electrnicasno son ondas senoidales o cosenoidales de una sola frecuencia, muchas de ellas s lo son, y lasque no lo son se pueden representar con una combinacin de funciones de seno o de coseno.

Seales senoidalesEn esencia, el anlisis de seales implica la realizacin del anlisis matemtico de frecuencia,longitud de onda y valor de voltaje de una seal. Las seales elctricas son variaciones de vol-taje, o de corriente, respecto al tiempo, que se pueden representar por una serie de ondas se-no o coseno. La descripcin matemtica de una onda de voltaje o de corriente con frecuencianica es

v(t) V sen(2ft ) o v(t) V cos(2ft )i(t) I sen(2ft ) o i(t) I cos(2ft )

donde v(t) voltaje de la onda senoidal, variable respecto al tiempo ti(t) corriente de la onda senoidal, variable respecto al tiempo tV voltaje mximo (volts)f frecuencia (hertz) desplazamiento de fase (radianes)I corriente mxima (amperes)

2f velocidad angular (radianes por segundo)

El uso de una funcin seno o coseno para representar una seal es completamente arbitra-rio y depende de cul se escoge como referencia. Sin embargo, se debe observar que sen =cos( 90). Por consiguiente, son vlidas las siguientes ecuaciones

v(t) V sen(2ft ) V cos(2ft 90)v(t) V cos(2ft ) V sen(2ft 90)

Las frmulas anteriores son para una onda repetitiva, de una sola frecuencia. A esa formade onda se le llama onda peridica, porque se repite con rapidez uniforme, es decir, cada ciclosucesivo de la seal tarda exactamente el mismo tiempo y tiene exactamente las mismas varia-ciones de amplitud que en cualquier otro ciclo; cada ciclo tiene exactamente la misma forma.Una serie de ondas seno, coseno o cuadradas, son ejemplos de ondas peridicas. Las ondas pe-ridicas se pueden analizar en el dominio del tiempo o en el dominio de la frecuencia. De he-cho, con frecuencia se hace necesario pasar del dominio del tiempo al de la frecuencia y vice-versa cuando se analiza el funcionamiento de un sistema.

Dominio del tiempo. Un osciloscopio normal es un instrumento de dominio del tiem-po. La pantalla del tubo de rayos catdicos es una representacin de la amplitud de la seal deentrada en funcin del tiempo, y se le suele llamar forma de onda de la seal. En esencia, una

14 Captulo 1

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forma de onda de la seal muestra la forma y la magnitud instantnea de la seal con respectoal tiempo, pero no necesariamente indica el valor de la frecuencia. Con un osciloscopio, la des-viacin vertical es proporcional a la amplitud de la seal total de entrada, y la deflexin hori-zontal es una funcin del tiempo (frecuencia de barrido). La fig. 1.9 muestra la forma de ondade una seal senoidal de frecuencia nica de f hertz con amplitud mxima de V volts.

Dominio de la frecuencia. El analizador de espectro es un instrumento de dominio dela frecuencia. En esencia no se despliega ninguna forma de onda en la pantalla del tubo de ra-yos catdicos. En vez de lo anterior se muestra una grfica de amplitud contra frecuencia (la cualse conoce como espectro de frecuencia). En un analizador de espectro, el eje horizontal repre-senta la frecuencia y el eje vertical representa la amplitud. En consecuencia, existir una defle-xin vertical para cada frecuencia que est presente en la entrada. De hecho, la forma de ondade entrada se barre a una frecuencia variable, con la ayuda de un filtro de paso de banda conQ elevado (cuya frecuencia central est sincronizada con la velocidad de barrido horizontal deltubo de rayos catdicos. Cada frecuencia que est presente en la forma de onda entrada produ-ce una lnea vertical en la pantalla del tubo de rayos catdicos (stas son las componentes espec-trales). La deflexin vertical (altura) de cada lnea es proporcional a la amplitud de la frecuenciaque representa. Una representacin en el dominio de la frecuencia de la onda muestra el conteni-do de la frecuencia, pero no indica necesariamente la forma de la onda o la amplitud combinadade todas las componentes de entrada en un instante especfico de tiempo. La fig. 1-10 muestrael espectro de frecuencia de una seal senoidal de frecuencia nica cuya amplitud pico es V voltsy la frecuencia es f hertz.


Am

plit

ud

Frecuencia (Hz)

FIGURA 1-10 Representacin en el dominiode la frecuencia (espectro) de una ondasenoidal de frecuencia nica

Am

plit

ud

+0.707 Vmx

+Vmx = +V

0.707 Vmx

Vmx = V

Tiempo

T = periodo

FIGURA 1-9 Representacin en el dominio del tiempo (forma de onda dela seal) de una onda senoidal de frecuencia nica

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Ondas peridicas no senoidales (ondas complejas)En esencia, toda onda repetitiva formada por ms de una onda senoidal o cosenoidal relaciona-da armnicamente, es una onda no senoidal o una onda peridica compleja. Para analizar unaonda peridica compleja es necesario usar una serie matemtica inventada en 1826 por el fsicoy matemtico francs, el barn Jean Fourier. Esta serie se llama serie de Fourier.

La serie de Fourier. Esta serie se usa en anlisis de seales para representar las com-ponentes senoidales de una onda peridica no senoidal, es decir, para cambiar una seal en eldominio del tiempo a una seal en el dominio de la frecuencia. En general, se puede obtener unaserie de Fourier para cualquier funcin peridica, en forma de una serie de funciones trigono-mtricas con la siguiente forma matemtica

f (t) A0 A1 cos A2 cos 2 A3 cos 3 An cos n B1 sen B2 sen 2 B3 sen 3 Bn sen n (1-6)

donde

La ecuacin 1-6 indica que la forma de onda f (t) comprende un valor promedio (A0) decd, una serie de funciones cosenoidales en las que cada trmino sucesivo tiene una frecuenciaque es mltiplo entero de la frecuencia del primer trmino cosenoidal de la serie, y una seriede funciones senoidales en la que cada trmino sucesivo tiene una frecuencia que es mltiploentero de la del primer trmino senoidal de la serie. No hay restricciones para los valores o losvalores relativos de las amplitudes de los trminos seno y coseno. La ecuacin 1-6 se enunciacomo sigue en palabras: Cualquier forma de onda peridica est formada por un componen-te promedio y una serie de ondas senoidales y cosenoidales relacionadas armnicamente. Unaarmnica es un mltiplo entero de la frecuencia fundamental. La frecuencia fundamental esla primera armnica, y es igual a la frecuencia (rapidez de repeticin) de la forma de onda.El segundo mltiplo de la fundamental se llama segunda armnica, el tercer mltiplo es latercera armnica, y as sucesivamente. La frecuencia fundamental es la mnima necesaria pa-ra representar a una forma de onda. Por consiguiente, la ecuacin 1-6 se puede escribir co-mo sigue

f (t) dc fundamental 2da. armnica 3ra. armnica n-sima armnica

Simetra de onda. Dicho en trminos sencillos, la simetra de la onda describe la sime-tra de una forma de onda en el dominio del tiempo, esto es, su posicin relativa con respecto alos ejes horizontal (tiempo) y vertical (amplitud).

Simetra par. Si una forma de onda peridica de voltaje es simtrica respecto al eje ver-tical (amplitud) se dice que tiene simetra especular, o de ejes, y se llama funcin par. Para to-das las funciones pares, los coeficientes B de la ecuacin 1-6 son cero. Por consiguiente, la se-al slo contiene un componente de cd y los trminos cosenoidales (ntese que la misma ondacosenoide es una funcin par). La suma de una serie de funciones pares es una funcin par. Lasfunciones pares satisfacen la condicin

f (t) f (t) (1-7)

De acuerdo con la ecuacin 1-7, la magnitud y la polaridad de la funcin en t es igual a la mag-nitud y la polaridad en t. En la fig. 1-11a se ve una forma de onda que slo contiene funcio-nes pares.

Simetra impar. Si una forma peridica de onda de voltaje es simtrica respecto a unalnea intermedia entre el eje vertical y el horizontal negativo (es decir, a los ejes en el segundoy cuarto cuadrantes) y pasa por el origen de las coordenadas, se dice que tiene una simetra pun-tual o que es antisimtrica, y se le llama funcin impar. Para todas las funciones impares, loscoeficientes A de la ecuacin 1-6 son cero. Por consiguiente, la seal tan slo contiene un compo-nente de cd y los trminos senoidales (ntese que la misma onda seno es una funcin impar). La

16 Captulo 1

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suma de una serie de funciones impares es una funcin impar. A esta forma primero se le debereflejar en el eje Y y despus en el eje X para sobreponerla consigo misma. As,

f (t) f (t) (1-8)

La ecuacin 1-8 establece que la magnitud de la funcin en t es igual al negativo de la magni-tud en t, es decir, que las magnitudes en esos puntos son iguales, pero los signos son opuestos.En la fig. 1-11b se ve una forma de onda peridica que slo contiene funciones impares.

Simetra de media onda. Si una forma de onda peridica de voltaje es tal que la on-da del primer medio ciclo (t 0 a t T/2) se repite, pero con signo contrario, durante el se-gundo medio ciclo (t T/2 a t T), se dice que tiene simetra de media onda. Para todas lasformas de onda con simetra de media onda, las armnicas pares de la serie, en los trminosen seno y en coseno, son cero. Por consiguiente, las funciones de media onda cumplen con lacondicin

(1-9)f (t) f T2 tIntroduccin a las comunicaciones electrnicas 17

Simetra respectoal eje vertical

Tiempo

Simetra respectoal eje horizontal

Tiempo

Eje

Espejode simetra Medio ciclo positivo,

imagen especular delmedio ciclo negativo

Tiempo

FIGURA 1-11 Simetras de onda: (a) simetra par; (b) simetraimpar; (c) simetra de media onda

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18 Captulo 1

TABLA 1-3 Resumen de series de Fourier

Forma de onda Serie de Fourier

v(t)

Nimpar

8V

(N)2 cos Nt

v(t) 8V

2 cos t

8V

(3)2 cos 3t

8V

(5)2 cos 5t

v(t) V

T

N12VT

sen Nt T

Nt T cos Nt

v(t)

Nimpar

V sen N2

N2 cos Nt

v(t) 4V

cos t

4V

3 cos 3t

4V

5 cos 5t

v(t)

Nimpar

4V

N sen Nt

v(t) 4V

sen t

4V

3 sen 3t

v(t) 2V

N1

4V(1)N

[1 (2N)2] cos Nt

v(t) 2V

4V

3 cos t

4V

15 cos 2t

v(t) V

V

2 sen t

N2

V[1 ( 1)N]

(1 N2) cos Nt

v(t) V

V

2 sen t

2V

3 cos 2t

2V

15 cos 4t

0 t

+Vodd

T/2 T

Impar

0 t

+VPar

T

0 t

Impar

T

+V

V

0 t

Par

T

+V

V

0 t

Par

T

+V

0 t

Par

T

+V

V

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En la fig. 1-11c se ve una forma de onda peridica con simetra de media onda. Se debe hacernotar que una forma de onda puede tener simetra de media onda y tambin puede ser impar opar, al mismo tiempo. Los coeficientes A0, B1 a Bn, y A1 a An se pueden evaluar con las siguien-tes frmulas integrales

(1-10)

(1-11)

(1-12)

Para resolver las ecuaciones 1-10, 1-11 y 1-12 se requiere aplicar el clculo integral, que saledel alcance de este libro. Por lo anterior, en las descripciones que siguen se presentarn las so-luciones correspondientes.

La tabla 1-3 es un resumen de las series de Fourier para algunas de las formas de onda pe-ridicas no senoidales.

Ejemplo 1-2

Para el tren de ondas cuadradas de la fig. 1-12:(a) Determinar las amplitudes mximas y las frecuencias de las primeras cinco armnicas impares.(b) Trazar el espectro de frecuencias.(c) Calcular el voltaje instantneo total, para varios tiempos, y trazar la forma de onda en el dominio

del tiempo.

Solucin (a) Al inspeccionar la forma de onda de la fig. 1-12 se ve que el componente promediode cd es 0 V, y que la forma de onda tiene al mismo tiempo simetra impar y de media onda. Si se eva-lan las ecuaciones 1-10, 1-11 y 1-12 se obtiene la siguiente serie de Fourier para onda cuadrada consimetra impar.

(1-13a)v(t) V0 4V

sen t 13 sen 3t

1

5 sen 5t

1

7 sen 7t

1

9 sen 9t . . .

Bn 2

TT

0

f (t) sen nt dt

An 2

TT

0

f (t) cos nt dt

A0 1

TT

0

f (t) dt


Tiempo

FIGURA 1-12 Forma de onda para el ejemplo 1-2

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(b) El espectro de frecuencias se ve en la fig. 1-13.(c) Se sustituyen los resultados de los pasos anteriores en la ecuacin 1-13a y se llega a

v(t) 5.09 sen[21000t] 1.69 sen[23000t] 1.02 sen[25000t] 0.73 sen[27000t] 0.57 sen[29000t]

20 Captulo 1

n Armnica Frecuencia (Hz) Voltaje mximo (Vp)

1 Primera 1000 5.093 Tercera 3000 1.695 Quinta 5000 1.027 Sptima 7000 0.739 Novena 9000 0.57

en donde v(t) voltaje variable en el tiempoV0 voltaje promedio de cd (volts)V amplitud mxima de la onda cuadrada (volts) 2f (radianes por segundo)T periodo de la onda cuadrada (segundos)f frecuencia fundamental de la onda cuadrada (1/T) (hertz)

La frecuencia fundamental de la onda cuadrada es

Se puede ver en la ecuacin 1-13a que la frecuencia y la amplitud de la n-sima armnica impar sedeterminan con las siguientes ecuaciones

fn n f (1-13b)

n entero positivo impar (1-13c)

siendo n n-sima armnica (slo armnicas impares para una onda cuadrada)f frecuencia fundamental d

sistemas de comunicaciones electronicas -tomasi (4ta edición)

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