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Sistemas de Telecomunicaciones cap 1

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Introducción a los sistemas de telecomunicaciones, incluyendo una revisión rápida a los conceptos de teoría de información, análisis de señales y ruido, que permita una mejor comprensión de los …

Introducción a los sistemas de telecomunicaciones, incluyendo una revisión rápida a los conceptos de teoría de información, análisis de señales y ruido, que permita una mejor comprensión de los capítulos próximos del curso.

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  • 1. Plan Complementario SISTEMAS DE TELECOMUNICACIONES EIE 846 Francisco Apablaza M. 2013 famapablaza@hotmail.com
  • 2. Programa Objetivos: Conocer, Comprender y Aplicar los principales componentes y fundamentos conceptuales de los sistemas de Telecomunicaciones. Contenidos: Clasificación de los sistemas de telecomunicaciones Información, Señales y Ruido Proceso de codificación de: fuente, canal y línea Procesos de Modulación: lineal, angular y digital Multiplexión: FDM-TDM-WDM Sistemas radioeléctricos Sistemas ópticos 2
  • 3. 3 Preguntas Expectativas? Temas?
  • 4. 4 SISTEMA DE TELECOMUNICACIONES Clasificación de los sistemas de telecomunicaciones Información, Señales y Ruido
  • 5. 5 Sistemas de telecomunicaciones Señal Información > Señal > Canal + Distorsión + Ruido
  • 6. 6 Sistemas Analógicos ó Digitales Sistemas de Transmisión ó Conmutación Sistemas fijos ó móviles Sistemas simplex ó duplex Sistemas alámbricos ó inalámbricos Clasificación de los sistemas de telecomunicaciones
  • 7. 7 Sistema de telecomunicaciones
  • 8. 8 Sistema de telecomunicaciones
  • 9. 9 Sistema de telecomunicaciones
  • 10. 10 Información, Contenido de información, Entropía  Toda transmisión de una señal se modela como una fuente + un cuadripolo + un receptor  La fuente “adapta” la información al medio de transmisión  El receptor “rescata” la información desde una señal distorsionada  Codificación de línea v/s modulación  Deterioros del medio: distorsión y ruido Fuente de Información Receptor de Información Analógica o Digital Audio Imagen DataSEÑALES
  • 11. 11  Por medio de transmisión se entiende el elemento físico que permite la transmisión de una señal, sea eléctrico, electromagnético u óptico.  Se representa como un cuadripolo Fuente de Información Receptor de Información LÍNEA de TRANSMISIÓN Radio Emisión Optoemisión Información, Contenido de información, Entropía
  • 12. 12 Información propia: Contenido de Información v/s Redundancia Información, Contenido de información, Entropía
  • 13. 13 Entropía: Información, Contenido de información, Entropía
  • 14. Teorema de Shannon 14 Claude Elwood Shannon (30 abril de 1916, Michigan, 24 de febrero de 2001), ingeniero eléctrico y matemático, recordado como el “padre de la teoría de la información”.
  • 15. SEÑALES 15
  • 16. Señales periódicas y aleatorias Señal transitoria, existe (toma valores significativos) durante un intervalo de tiempo finito: 16
  • 17. Señales periódicas y aleatorias Señal periódica: Caso particular de señal permanente, cumple que, para cualquier valor de t, , donde T es una constante positiva real y n entero ≥ 1 El período fundamental de la señal es T (n=1) y su inversa, la frecuencia fundamental 17
  • 18. Señales periódicas y aleatorias Señal aleatoria: caso particular de señal permanente, no tiene expresión matemática explícita, 18 Se definen: valor instantáneo; medio; cuadrático medio; y eficaz.
  • 19. Dominio del tiempo y frecuencia Una forma alternativa de representar las propiedades de una señal eléctrica es en dominio de frecuencia. La herramienta matemática que vincula los dominios de tiempo y frecuencia es la transformada de Fourier. Si para una señal x(t), las integrales existen (como ocurre para toda señal x(t) físicamente posible), se define el par de Transformada de Fourier según: 19
  • 20. Donde  = 2  f 20 Dominio del tiempo y frecuencia X(f) es la representación de x(t) en dominio de frecuencia, es el “espectro de frecuencias´ o simplemente “espectro” de x(t). Transformada de Fourier
  • 21. Algunas funciones fundamentales 21 Dominio del tiempo y frecuencia
  • 22. Señal Periódica: 22 Traslación: Dominio del tiempo y frecuencia Linealidad:
  • 23. 23 Concepto de Modulación: analógica y digital Tiempo v/s Frecuencia Dos modos de análisis: respuestas en el tiempo y en frecuencia Ancho Espectral y Ancho de Banda
  • 24. ANCHO ESPECTRAL v/s ANCHO DE BANDA 24 Señal ASK
  • 25. 25 Distorsión v/s Ancho de Banda
  • 26. 26 Distorsión v/s Ancho de Banda: criterios
  • 27. 27 Interferencia Inter Símbolo ISI
  • 28. Sistema sin distorsión 28 Salida atenuada y retardada, pero libre de distorsión. En el dominio de frecuencia: sistema lineal invariante en el tiempo
  • 29. La señal binaria Una señal binaria (o bivalente) varía a lo largo del tiempo ocupando sólo dos niveles de voltaje. 29 Unipolar Bipolar 0100111010.... La velocidad de la señal binaria se expresa como : la cantidad de bits por segundo: R b [bps] La tasa o velocidad de “señalización” son BAUDIOS
  • 30. Señal NRZ Señal RZ Señal Manchester 30
  • 31. MUESTREO 31
  • 32. 32 Teorema de Nyquist: límite espectral Señales, análogas y digitales Muestreo La razón de muestreo debe ser igual, o mayor, al doble de su ancho de banda de la señal analógica“ La teoría del muestreo define que para una señal de ancho de banda limitado, la frecuencia de muestreo, fm, debe ser mayor que dos veces su ancho de banda [B] medida en Hertz [Hz]. fm > 2·B Señal Muestreda ideal:
  • 33. 33 Señales, análogas y digitales Muestreo  La señal analógica es continua la digital es discreta  El muestreo natural es también continuo (infinitos valores)  Al “digitalizar” se asignan valores finitos cuánticos = dígitos = números
  • 34. Muestreo con y sin Aliasing 34
  • 35. 35  Cuantificación uniforme y no uniforme: se minimiza error de cuantificación => ruido Cuantificación
  • 36. 36  Cuantificación vectorial En los métodos anteriores, cada muestra se cuantifica independientemente a las muestras vecinas. Sin embargo, la teoría de información, demuestra que ésta no es la mejor forma de cuantificar los datos de entrada. Es más eficiente cuantificar los datos en bloques de N muestras. En este tipo de cuantificación, el bloque de N muestras se trata como un vector N-dimensional. => “compresión”
  • 37. 37 Señales, análogas y digitales  Cada señal tiene una distribución espectral de frecuencias, la que es afectada por la respuesta de frecuencia del canal.  Señal analógica de voz (telefonía) = 3,4 KHz
  • 38. 38 EL MEDIO DE TRANSMISIÓN Línea de Tx, Aire o Fibra óptica
  • 39. 39 Limitaciones del medio  Un canal real está limitado por su BW : distorsión espectral ISI y por su Ruido, lo que hace que el receptor recupere información con ERRORES, o se LIMITE su cantidad de información
  • 40. Modulación Es el proceso de adaptación al medio de transmisión, para su adecuada transmisión. 40 Eso también implica :  reducir ruido e interferencia. Y una funcionalidad importante:  enviar varias señales (mux) por un mismo canal.
  • 41. 41
  • 42. 42  Cada punto representado un estado binario  mayor cercanía aumenta probabilidad de error Modulación digital Diagrama fasorial: constelación
  • 43. 43 Modulación digital Diagrama fasorial: constelación  Cada punto representado un estado binario  mayor cercanía aumenta probabilidad de error
  • 44. 44  Ejemplo de constelación modulación QAM  Mayor Nº de estados mayor probabilidad de error Modulación digital Diagrama fasorial: constelación Fasor aletorio
  • 45. 45 Ruido
  • 46. Fuentes de ruido en antena 46Además: Interferencias, impulsivo, y térmico.
  • 47. Ruido térmico Su densidad espectral es uniforme en el espectro de frecuencias: Ruido Blanco ”additive white Gaussian noise” AWGN. La densidad espectral de ruido depende de la temperatura y está dada por: Donde: T = Temperatura en kelvins = Temperatura ambiente en ºC + 273. k = Cte. de Boltzmann = 1.38 x 10-23 watt/ºK-Hz. 47
  • 48. Ruido AWGN 48 en el tiempo en frecuencia
  • 49. Ancho de banda de ruido equivalente W =B.W. de ruido equivalente 49 Áreas iguales
  • 50. En un ancho de banda B, la potencia de ruido es: 50 variable aleatoria con distribución gaussiana de valor medio cero Se define como relación señal a ruido, S/N o SNR: expresada en dB: Ruido AWGN
  • 51. Factor de Ruido de un dispositivo de ganancia G y ruido interno Na: 51 Ruido AWGN También: “factor de ruido” o “figura de ruido” Alternativamente:
  • 52. El factor de ruido de varios circuitos conectados en cascada, para dos: 52 para N: Ruido AWGN fórmula de FriisF en veces Notar efecto de primer etapa
  • 53. BER En Tx digital el Ruido, distorsión e interferencia se traduce en una Tasa de Error [BER]. 53
  • 54. Sensibilidad: potencia de recepción para valores de BER del orden de 10-9, 10-10 ó 10-12. 54 Puesto que éste es un proceso estadístico, la medida de BER sólo se aproxima al valor real en la medida que el número de bits probados tienda a infinito. Afortunadamente con fines prácticos basta una medida con un determinado nivel de confidencia. BER
  • 55. Para medir se utilizan secuencias pseudoaleatorias, que requieren una normalización para asegurar la operatividad y evaluaciones en igualdad de condiciones. Para ello se definen (Rec. O150 UIT-T) algunas secuencias del tipo 2n – 1, así p. ej. existe el patrón 29–1 que contiene 511 posibles combinaciones de 9 bits. 55 BER
  • 56. Duración de la medición para nivel de confidencia 95% BER STM-256 39.81Gbps STM-264 9.95 Gbps STM-16 2.48Gbps STM-4 622.08 Mbps STM-1 155.52Mbps 10-13 ~ 12.5 mins ~ 50 mins ~ 3.3 hrs ~ 13 hrs ~ 2.2 days 10-12 ~ 1.3 mins ~ 5 mins ~ 20 mins ~ 80 mins ~ 5.35 hrs 10-11 ~ 7.5 secs ~ 30 secs ~ 2 mins ~ 8 mins ~ 32 mins 56 BER
  • 57. 57 BER
  • 58. 58 BER C/N A mayor modulación, requiere mayor C/N BER
  • 59. 59 Mejora de BER mediante detección y corrección de errores en línea : precio “desgaste” de BW. BER
  • 60. 60 BER: diagrama de ojo
  • 61. 61 BER: diagrama de ojo
  • 62. Refs para profundizar  Señales y Sistemas J.Moron  Señales Eléctricas J.Bilbao  Principios de Tx de Inf. Briceño  Ruido U Cantabria  Apuntes prof. R.Villarroel PUCV 62
  • 63. Conclusión: 63 Preguntas: ¿ ? TELECOMUNICACIÓN basada en conceptos de: Información > Señal > canal > ruido+distorsión > receptor > destino > fidelidad
  • 64. Investigar: 1.- ¿Qué se entiende por ruido de color y ruido pasabanda? 2.- ¿Qué es temperatura de ruido? 3.- Determinar la cifra de ruido de un atenuador 4.- Calcular la entropía de un texto en español, analizando al menos cinco paginas y determine cual es el contenido de información de cada caracter, el de menor contenido de información y la entropía del texto. {use Word y Excel} 5.- ¿el estandar RFC 3003 con qué tipo de codificación dice relación? 6.- ¿cuál es la condición de ergocidad de una señal? Responder indicando la fuente 64

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