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TENDENCIAS DE LAS COMUNICACIONES MODERNAS FSK PSK QAM

Punto-a-Punto

Mundiales

PresentPasado Futuro

LPI/AJ

AM/FM

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Networks

Ad Hoc Networks

Internet

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Digital

Analog

FH

OFDM

DSSS

CODING

Tecnologias

Software Radio Sistemas

Cognitivos

0-2

Estructura de un Sistema de Comunicación

• Fuentes de Información

Señal Mensaje m(t) es la fuente de información a enviarse

Posibles fuentes de información incluyen voz, música, imagenes, video, y data, las cuales son señales de banda base

Las señales de banda base tienen potencia concentrada cerca DC

• Estructura básica de un sistema de comunicación análogo de tiempo contínuo:

m(t)

Proceso deSeñales

Circuitos

Portadora

Medio de Transmisión

Circuitos Portadora

Procesamiento de Señales

TRANSMISOR RECEPTORs(t) r(t)

)(ˆ tm

CANAL

Communication Systems

SISTEMA DE COMUNICACIÓN

• Señal Mensaje – Señal de información o señal de banda base

• Transmisor – Convierte y transmite la señal mensaje Convertidor de banda base – Filtrar, codificar, and multiplexar Modulación de onda portadora Amplificación de Potencia

• Canal – Conductores o el espacio libre a través del cual la señal es transmitida (La señal es distorcionada contaminada con ruido)

• Receptor – Desmodula, desmultiplea, y decodifica la señal recibida

• Señal Recibida – Señal detectada en presencia de ruido, solamente es una estimación de la señal mensaje

FUENTE TRANSMISOR RECEPTORCANAL DESTINO

n(t)

s(t) v(t) r(t) s(t)

meNsaje

Carrier signal

SISTEMA TÍPICO DE COMUNICACIÓN DIGITAL

Fuente: “Introduction to Spread Spectrum Communications” de Peterson, Ziemer, and Borth

Fuente de Información

Tasa de la Fuente:

Rm = (1/Tm ) log2 M bits per secondGenerador de

Código

Codificador de Canal

EncriptadorCodificador

(1, 2, . . . Q)

Amplificador de Potencia

Modulador de espectro

Modulador de Datos

Terminal Frontal de Receptor

Canal de Forma de

Onda

Concentrador de Espectro

Desmodula-dor de Datos

Decdificador de Canal

Desencriptad-or

Sincronización

Decdificador de Fuente

Receptor de Información

Ruido

Tasa de código:

R simbolos de salida por bits de entrada

Limitación de Potencia

Limitación de Ancho de

Banda

Canal Discreto (Sin Memoria)

SISTEMA DE COMMUNICACIÓN DIGITAL

CRITERIOS DE FUNCIONAMIENTO Sistemas Digitales vs. Analógicos

• Los sistemas analógicos de comunicación reproducen

formas de onda (un conjunto infinito)

• Los sistemas analógicos tinen mayor fidelidad (e.g. el

porciento de distorción entre las formas de onda

transmitida y recuperada)

• Los sistemas digitales de comunicación transmiten formas

de onda que representan digitos (un conjunto finito)

• Los sistemas digitales tienen una baja cantidad de dígitos

incorrectamente detectados

Abstracción de un Sistema de Comunicación

Fuente deInformación

Codificador Modulador

Canal

Señal de salida Decodificador Demodulador

Lado del emisor

Lado del receptor

0-8

Transmisor• Procesamiento de Señales

El filtrado pasabajo asegura que la señal mensaje ocupe un ancho de banada específico (e.g. en radio AM y FM, cada estación tiene asignada un rango de valores en el dominio de la frecuencia)

En un sistema de comunicación digital, podemos adicionar una redundancia al flujo de bits m[n] para ayudar a la detección (y posible corrección) de errores en el receptor


m(t)

Procesamiento de la Señal

Circuitos de

Portadora


Circuitos de

Portadora



)(ˆ tm

CANAL

24 October, 2002 George Mason University 9

Bloques comunes a todos los sistemas de comunicación

Sistemas de Comunicación

Digital

Análoga


Repaso de los componentes de un sistem,a de comunicación:

Transductor de entrada: El dispositivo que convierte una señal física de una fuente a una señal eléctrica, mecánica o electromagnética más adecuada para la comunicación

Transmisor: El dispositivo que envía la señal transducida Canal de transmisión: El medio físico a través del cual se

transporta la señal Receptor: El dispositivo quue recupera la señal transmitido por

el canal Transductor de salida: El dispositivo que convierte la señal

recibida a una señal útil


Sistemas básicos decomunicaciones analógicas

Modulador

Demodulador

Canal de Transmisión

Transductor de Entrada

Transmisor

Receptor

Transductor de Salida

Portadora

Ondas EM (señal modulada)

Ondas EM

(señal modulada)

Baseband signal (electrical signal)

Señal de Banda base (señal eléctrica)

0-12

Transmisor• Circuitos de Portadora

Convierten la señal de banda base a una banda de frecuencia apropriada para el canal, e.g. usando modulación analógica o digital

m(t)


Circuitos de

Portadora


Circuitos de

Portadora



)(ˆ tm

CANAL

0

1

-

F()

0

Y()½

- - - +

- +

½F½F

Señal Banda base Señal convertida


0-13

Canal de Comunicación• Medio de Transmisión

Línea alámbrica (par de cables, coaxial, fibra óptica)

Inalámbrica (interior/aire, exterior/air, submarina, espacial)

• La propagación de señales experimenta una degradación gradual con respecto a la distancia

• “Boosting” mejora la señal y reduce el ruido,

e.g. repetidoras


m(t)


Circuitos de

Portadora


Circuitos de

Portadora



)(ˆ tm

CANAL

0-14

Zonas de Recepción e Información• Receptor

Los circuitos de portadora anulan los efectos de los circuitos de portadora en el transmisor, e.g. convierten de señal pasa banda a señal banda base

El subsistema de procesamiento de señales extrae y mejora la señal banda base

• Zonas de información

Dispositivos de salida, e.g. pantallas de conmputadora, bocinas, pantallas de TV


m(t)


Circuitos de

Portadora


Circuitos de

Portadora



)(ˆ tm

CANAL

Areas de Aplicación

• Control

• Comunicaciones

• Procesamiento de Señales

Aplicaciones de Control

• Control y automatización ndustrial (Control de la velocitad o posición de un objeto)

• Ejemplos: Controlar la posición de una valvula o eje de un motor

• Herramientas Importantes: – Solución de ecuaciones diferenciales en el dominio

del tiempo– Función de Transferencia (Transformada de Laplace)– Estabilidad

Aplicaciones en Comunicaciones

• Transmisión de información (señal) a través de un canal

• El canal puede ser el espacio libre, cable coaxial, fibra óptica

• Componente clave de la transmisión: Modulación (Comunicación Analógica y Digital)

Aplicaciones de Procesamiento de Señales

• Procesamiento de señales=Aplicación de algoritmos para modificar señales de tal manera que se hagan más útiles.

• Metas:– Transmisión eficiente y confiable, almacenamiento y

despliegue de la información– Extracción y mejora de la Información

• Ejemplos: – Procesamiento de sonido y audio– Procesamiento Multimedia (imágen y video)– Acústica submarina– Análisis de señales biológicas

Aplicaciones Multimedia

• Compresión: Rápida, eficiente, confiable transmisión y almacenamiento de datos

• Aplicación sobre datos de audio, imágenes y video para su transmisión por Internet, almacenamiento

• Ejemplos: CDs, DVDs, MP3, MPEG4, JPEG

• Herramientas matemáticas: Transformada de Fourier, Quantización, Modulación

Ejemplo JPEG

43K 13K 3.5K

• JPEG usa Transformada Discreta-Coseno (similar a la Transformada de Fourier)

Análisis de Señales Biológicas

• Ejemplos:– Señales del cerebro (EEG)– Señales cardíacas (ECG)– Medical images (x-ray, PET, MRI)

• Metas: – Detectar actividad anormal (fallas o ataque cardíaco)– Ayudar al médico en el diagnóstico de padecimientos

• Herramientas: Filtrado, Transformada de Fourier

Ejemplo• Las ondas cerebrales están usualmente

contaminadas por ruidoy son difíciles de interpretar and hard to interpret

Biometría

• Identificar a una persona mediante sus caracterízticas fisiológicas

• Ejemplos:– Identificación por Huella Digital– Reconocimiento Facial– Reconocim,iento de Voz

Procesamiento de Señales de Audio

• Cancelación Activa de ruido :Filtrado adaptativo– Audífonos de cabina

• Efectos de Audio Digital– Adicionar efectos musicales especiales como

retraso , eco, reverberación

• Separación de señales de Audio– Separar la interferencia de sonido deseado– Sonido del viento de la música en carros

Ejemplo de Filtrado

Procesamiento Digital de Señales y sus

Beneficios Por señal nos referimos a cualquier variable que transporta o contiene alguna clase de información que puede ser comunicada, desplegada o manipulada.

Ejemplos de señales de particular interés:

- El habla, la encontramos en telefonía, radio, y la vida diaria

- Señales biomédicas, (señales del corazón, del cerebro)

- Sonido y música, de un reproductor de discos compactos

- Video e imágen,

- Señales de radar, usadas para determinar la posición y localización de blancos distantes

La atracción hacia el DSP se debe a ventajas clave tales como :

* Precisión garantizada: (la precisión está determinada unicamente por el número de bits usado) * Perfecta Reproducibilidad: Funcionamiento idéntico de unidad a unidad

ie. Una grabación digital puede ser copiada o reproducida varias veces sin pérdida en la calidad de la señal

* No ocurre alentamiento del funcionamiento con la temperatura y el tiempo

* Usa los avances en la tecnología de los semiconductores para lograr:(i) menor tamaño (ii)bajos costos (iii) bajos consumos de energía(iv) altas velocidades de operación

* Mayor flexibilidad: Reprogramables , sin necesidad de modificar el hardware * Funcionamiento Superior

ie. Se puede lograr respuesta lineal con respecto a la faseEs posible un complejo filtrado adaptativo

Desventajas del DSP

* Rapidez y Costo Los diseños en DSP pueden ser caros, especialmente cuando están involuicradas señales con anchos de banda grandes. ADC o DACs son muy caros o no tienen suficiente resolución para aplicaciones de ancho de banda grandes.

* Los diseños de DSP pueden ser consumidores de tiempo y necesitar los recursos necesarios (software, etc)

* Problemas de longitud finita de palabras Si se utiliza solamenmte un número limitado de bits, debido a

consideraciones económicas, puede resultar una seria degradación en el funcionamiento del sistema.

Areas de Aplicación

Procesamiento de Instrumentación/Control Voz/Audio Militar imágenesReconocimiento Análisis de reconocimiento comunicacionesDe Patrones espectros de voz segurasVisión Robótica Reducción ruido Síntesis del Habla Prosesamiento de

RadarMejora de imágenes Compresión de datos Texto a habla Procesamiento de SonarFacsimil Posición y Tasa Audio digital Guía de Proyectilesanimación control equalización

Telecomunicaciones Biomedica Aplicaciones al ConsumidorCancelación de Eco monitoreo de pacientes Telefonía móvilEcualización adaptativa escaners UMTS ADPCM trans-codificadores Mapeadores del cerebroEEG television digitalProliferación de espectro Análisis de ECG camaras digitalesVideo conferencias Almacenar/mejora RayosX telefonía por internet

etc.

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