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 capítulos próximos del curso.

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Sistemas de Telecomunicaciones cap 1

  1. 1. Plan Complementario SISTEMAS DE TELECOMUNICACIONES EIE 846 Francisco Apablaza M. 2013 famapablaza@hotmail.com
  2. 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. 3 Preguntas Expectativas? Temas?
  4. 4. 4 SISTEMA DE TELECOMUNICACIONES Clasificación de los sistemas de telecomunicaciones Información, Señales y Ruido
  5. 5. 5 Sistemas de telecomunicaciones Señal Información > Señal > Canal + Distorsión + Ruido
  6. 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. 7 Sistema de telecomunicaciones
  8. 8. 8 Sistema de telecomunicaciones
  9. 9. 9 Sistema de telecomunicaciones
  10. 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. 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. 12 Información propia: Contenido de Información v/s Redundancia Información, Contenido de información, Entropía
  13. 13. 13 Entropía: Información, Contenido de información, Entropía
  14. 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. 15. SEÑALES 15
  16. 16. Señales periódicas y aleatorias Señal transitoria, existe (toma valores significativos) durante un intervalo de tiempo finito: 16
  17. 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. 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. 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. 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. 21. Algunas funciones fundamentales 21 Dominio del tiempo y frecuencia
  22. 22. Señal Periódica: 22 Traslación: Dominio del tiempo y frecuencia Linealidad:
  23. 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. 24. ANCHO ESPECTRAL v/s ANCHO DE BANDA 24 Señal ASK
  25. 25. 25 Distorsión v/s Ancho de Banda
  26. 26. 26 Distorsión v/s Ancho de Banda: criterios
  27. 27. 27 Interferencia Inter Símbolo ISI
  28. 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. 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. 30. Señal NRZ Señal RZ Señal Manchester 30
  31. 31. MUESTREO 31
  32. 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. 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. 34. Muestreo con y sin Aliasing 34
  35. 35. 35  Cuantificación uniforme y no uniforme: se minimiza error de cuantificación => ruido Cuantificación
  36. 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. 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. 38 EL MEDIO DE TRANSMISIÓN Línea de Tx, Aire o Fibra óptica
  39. 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. 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. 41
  42. 42. 42  Cada punto representado un estado binario  mayor cercanía aumenta probabilidad de error Modulación digital Diagrama fasorial: constelación
  43. 43. 43 Modulación digital Diagrama fasorial: constelación  Cada punto representado un estado binario  mayor cercanía aumenta probabilidad de error
  44. 44. 44  Ejemplo de constelación modulación QAM  Mayor Nº de estados mayor probabilidad de error Modulación digital Diagrama fasorial: constelación Fasor aletorio
  45. 45. 45 Ruido
  46. 46. Fuentes de ruido en antena 46Además: Interferencias, impulsivo, y térmico.
  47. 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. 48. Ruido AWGN 48 en el tiempo en frecuencia
  49. 49. Ancho de banda de ruido equivalente W =B.W. de ruido equivalente 49 Áreas iguales
  50. 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. 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. 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. 53. BER En Tx digital el Ruido, distorsión e interferencia se traduce en una Tasa de Error [BER]. 53
  54. 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. 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. 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. 57 BER
  58. 58. 58 BER C/N A mayor modulación, requiere mayor C/N BER
  59. 59. 59 Mejora de BER mediante detección y corrección de errores en línea : precio “desgaste” de BW. BER
  60. 60. 60 BER: diagrama de ojo
  61. 61. 61 BER: diagrama de ojo
  62. 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. 63. Conclusión: 63 Preguntas: ¿ ? TELECOMUNICACIÓN basada en conceptos de: Información > Señal > canal > ruido+distorsión > receptor > destino > fidelidad
  64. 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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