Introducción a los Sistemas de Comunicación Electrónica

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Una introducción a los sistemas de comunicación electrónica, ancho de banda y capacidad de información, y el ruido eléctrico.

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Introducción a los Sistemas de Comunicación Electrónica

  1. 1. UNIDAD IINTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DECOMUNICACIÓN Definición de sistemas de comunicaciones electrónica Diagrama de bloques de un sistema de comunicación genérico El ruido y sus efectos Ancho de banda y relación señal a ruido Servicios de telecomunicaciones
  2. 2. INTRODUCCIÓN A LAS COMUNICACIONES ELECTRÓNICASEl objetivo fundamental de un sistema electrónico de comunicaciones, es transferirinformación de un lugar a otro. Por consiguiente, se puede decir que las comunicacioneselectrónicas son la transmisión, recepción y procesamiento de información entre dos o máslugares, mediante circuitos electrónicos. La fuente de información puede estar en formaanalógica (continua), como por ejemplo la voz humana, o en forma digital (discreta), como porejemplo los números codificados en binario o los códigos alfanuméricos. Sin embargo, todaslas formas de información se deben convertir a energía electromagnética antes de serpropagadas a través de un sistema electrónico de comunicaciones.
  3. 3. SISTEMAS ELECTRÓNICOS DE COMUNICACIONESLa figura 1 muestra un diagrama de bloques simplificado de un sistema electrónico decomunicaciones, que comprende un transmisor, un medio de transmisión y un receptor. Figura 1. Diagrama simplificado de bloques de un sistema de comunicaciones electrónicas.Un transmisor es un conjunto de uno o más dispositivos o circuitos electrónicos queconvierte la información de la fuente original en una señal que se presta más a su transmisióna través de determinado medio de transmisión. El medio de transmisión transporta lasseñales desde el transmisor hasta el receptor. Un receptor es un conjunto de dispositivos ycircuitos electrónicos que acepta del medio de transmisión las señales transmitidas y lasconvierte a su forma original.
  4. 4. Los dos tipos básicos de comunicaciones electrónicas son analógico y digital. Un sistemaanalógico de comunicaciones es aquel en el cual la energía se transmite y se recibe en formaanalógica: una variación continua, como por ejemplo una señal senoidal.Las comunicaciones digitales abarcan una amplia variedad de técnicas de comunicación, queincluyen transmisión digital y radio digital. La transmisión digital es un sistema digitalverdadero, donde los pulsos digitales (con valores discretos) se transfieren entre dos o máspuntos en un sistema de comunicaciones. Los sistemas de transmisión digital requieren unainstalación física entre el transmisor y el receptor, como por ejemplo un conductor metálico oun cable de fibra óptica.
  5. 5. ANCHO DE BANDA Y CAPACIDAD DE INFORMACIÓNLas dos limitaciones más importantes en el funcionamiento de un sistema de comunicacionesson el ruido y el ancho de banda.El ancho de banda de una señal de información se define como la diferencia entre lasfrecuencias máxima y mínima contenidas en la información, y el ancho de banda de un canalde comunicaciones es la diferencia entre las frecuencias máxima y mínima que pueden pasarpor el canal (banda de paso).El ancho de banda de un canal de comunicaciones debe ser suficientemente ancho para pasartodas las frecuencias importantes del a información, es decir, el ancho de banda del canal decomunicaciones debe ser igual o mayor que el ancho de banda de la información.
  6. 6. TEORÍA DE LA INFORMACIÓNLa teoría de la información es el estudio muy profundo del uso eficiente del ancho de bandapara propagar información a través de sistemas electrónicos de comunicaciones. Esta teoría sepuede utilizar para determinar la capacidad de información de un sistema de comunicaciones.La capacidad de información es una medida de cuánta información se puede transferir através de un sistema de comunicaciones en determinado tiempo.La cantidad de información que se puede propagar en un sistema de transmisión es unafunción del ancho de banda y del tiempo de transmisión. R. Hartley, desarrolló en 1920 larelación entre el ancho de banda, el tiempo de transmisión y la capacidad de información. Enforma matemática, la ley de Hartley es: IαBxtSiendo I = capacidad de información B = ancho de banda (Hertz) t = tiempo de transmisión (segundos)
  7. 7. La ecuación anterior indica que la capacidad de información es una función lineal, y esdirectamente proporcional tanto al ancho de banda del sistema como al tiempo detransmisión.C.E. Shannon publicó en 1948 un trabajo donde relacionó la capacidad de información de uncanal de comunicaciones, en bits por segundo (bps), con el ancho de banda y la relación deseñal a ruido. La expresión matemática del límite de Shannon de capacidad de información es: I =Blog2(1 + S/N)Es decir, I = 3.32Blog10(1 + S/N)Donde,I = capacidad de información (bits por segundo)B = ancho de banda (Hertz)S/N = relación de potencia de señal a ruido (sin unidades)
  8. 8. EJEMPLOPara un canal normal de comunicaciones en banda de voz, con una relación de potencias deseñal a ruido de 1000 (30dB) y un ancho de banda de 2.7kHz, calcule el límite de Shannon decapacidad de información.
  9. 9. ANÁLISIS DE RUIDOSe define al ruido eléctrico comocualquier energía eléctrica indeseableque queda entre la banda de paso de laseñal. La figura 2 muestra el efecto quetiene el ruido sobre una señal eléctrica.En términos generales cualquierperturbación no intencional de la señal sepuede clasificar como “ruido”, y algunas Figura 2. Efectos del ruido sobre una señal . [a] señalveces es difícil distinguir las diferentes sin ruido [b] señal con ruidocausas que originan una señalcontaminada. El ruido se puede clasificaren dos categorías: correlacionado y nocorrelacionado.Distorsión: es la alteración de la señal debida a la respuesta imperfecta del sistema a ellamisma. A diferencia del ruido y la interferencia, la distorsión desaparece cuando la señal dejade aplicarse.Interferencia: es la contaminación por señales extrañas, generalmente artificiales y de formasimilar a las de la señal.
  10. 10. Ruido CorrelacionadoEl ruido correlacionado es aquel que se relaciona mutuamente (se correlaciona) con la señal, yno puede estar en un circuito a menos que haya una señal de entrada, es decir, no hay señal,no hay ruido.Ruido no correlacionadoEl ruido no correlacionado está presente independientemente de si haya una señal o no. Sepuede seguir subdividiendo en dos categorías generales: externo e interno.Ruido externo: el ruido externo es el que se genera fuera del dispositivo o circuito. Hay trescausas principales del ruido externo: atmosféricas, extraterrestres y generadas por el hombre.Ruido interno: el ruido interno es la interferencia eléctrica generada dentro de un dispositivoo circuito. Hay tres clases principales de ruido generado internamente: de disparo, de tiempode tránsito y térmico.
  11. 11. Ruido TérmicoEste ruido se asocia con el movimiento rápido y aleatorio de los electrones dentro de unconductor, producido por la agitación térmica.Los electrones en el interior de un conductor portan una carga negativa unitaria, y la velocidadcuadrática media (medida de la velocidad de una partícula) de uno de ellos es proporcional asu temperatura absoluta. En consecuencia, cada paso de un electrón entre choques conmoléculas produce un corto pulso de corriente, que produce un voltaje pequeño a través delcomponente resistivo del conductor.Como este tipo de movimiento del electrón es totalmente aleatorio y es en todas direcciones,el voltaje promedio en la sustancia debido a esos movimientos es 0V cd. Sin embargo, esemovimiento aleatorio sí produce una componente de ca.En resumidas palabras, el ruido térmico es el movimiento aleatorio de los electrones libresdentro de un conductor, causado por la agitación térmica.
  12. 12. En forma matemática la potencia del ruido es: N = KTBDonde, N = potencia del ruido (watts) B = ancho de banda (Hertz) K = constante de proporcionalidad de Boltzman (1.38x10-23 joules por grado kelvin) T = temperatura absoluta, en grados kelvin (la temperatura ambiente = 17 ºC o290º K)[Para convertir de ºC a grados kelvin sólo se suman 273º. Por consiguiente, T = ºC + 273]
  13. 13. Voltaje de ruidoLa figura 3 muestra el circuito equivalente de una fuente de ruido, donde su resistencia interna(RI) está en serie con el voltaje rms de ruido (VN). Para el peor de los casos, y para latransferencia máxima de la potencia del ruido, se iguala la resistencia de la carga (R) con la RI.Así, la caída de voltaje de ruido a través de R es igual a la mitad del voltaje de la fuente (VR =VN /2), y según la ecuación anterior, la potencia de ruido (N) desarrollada a través del resistorde carga es igual a KTB. Figura 3. Circuito equivalente a una fuente de ruido.
  14. 14. La ecuación matemática de VN se deduce como sigue: N = KTB = (VN/2)2 / R = VN2 / 4R VN2= 4RKTB VN = √4RKTBEJEMPLOPara un dispositivo electrónico que funciona a la temperatura de 17º C, con ancho de bandade 10kHz, calcular:(a) La potencia de ruido térmico, en watts y dBm(b) El voltaje rms del ruido, para una resistencia interna de 100 Ω y una resistencia e carga de 100Ω.

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