ANEXO No. A PRINCIPIOS GENERALES DE MODULACIÓN

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS TECNOLOGÍA E INGENIERÍA
CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CUSO: 299009 – TELEFONÍA
ANEXO No. A
PRINCIPIOS GENERALES DE MODULACIÓN Y CODIFICACIÓN
A.1.
A.2.
A.3.
A.4.
A.5.
A.6.
A.7.
A.8.
A.9.
Traslación de Frecuencia
Modulación
Modulación de Amplitud
Bandas laterales
Modulación de frecuencia
Conceptos Generales Sobre MIC (PCM)
Codificación
Multiplexación
Ventajas y desventajas de los sistemas MIC
A.1 TRASLACION DE FRECUENCIA
La traslación del espectro en la frecuencia o mezcla consiste en la
multiplicación de la señal en banda base por una señal SENO o COSENO.
Aplicable tanto en el transmisor (modulador) como en recepción (demodulador
coherente).
La modulación lineal es principalmente una traslación de frecuencia directa del
espectro del mensaje. La demodulación o detección, es el proceso en el
receptor por medio del cual se recupera el mensaje de la onda modulada. Por
lo que para la modulación lineal en general, el proceso de detección o
demodulación es en forma básica uno de los casos de traslación de frecuencia
a valores menores.
En una traslación de frecuencia se puede ver que si los espectros se desplazan
hacia abajo en frecuencia en fc unidades (hacia arriba en fc unidades para las
componentes de frecuencia negativa), se reproduce el espectro del mensaje
original, más una posible componente de CD correspondiente a la portadora
trasladada.
La traslación de frecuencia, o conversión, se emplea también para desplazar
una señal modulada a otra nueva frecuencia portadora (arriba o abajo) para
amplificación o para algún otro procesamiento. Así, la traslación es una
operación fundamental de los sistemas de modulación lineal e incluye la
modulación y la detección como casos especiales. Para examinar la detección
se debe analizar inicialmente el proceso general de la conversión de frecuencia.
Conversión de frecuencia
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS TECNOLOGÍA E INGENIERÍA
CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CUSO: 299009 – TELEFONÍA
La conversión se efectúa, al menos en forma analítica, al multiplicar por una
sinusoide. Considérese, por ejemplo, la onda de DSB
x(t) cos ω1t.
Multiplicando por cos ω2t se obtiene:
El producto está compuesto de las frecuencias suma y diferencia, f1 + f2 y
|f1 – f2| cada una modulada por x(t).
Suponiendo que f1 ≠ f2, la
multiplicación ha trasladado el espectro de la señal a dos nuevas frecuencias
portadoras. Con un filtraje apropiado, la señal se convierte a un valor mayor o
a uno menor en frecuencia. Los dispositivos que realizan esta operación se
denominan convertidores de frecuencia o mezcladores. La operación en si se
designa como heterodinación o mezcla.
Corrimiento de Espectro (Desplazamiento de Frecuencia)
En radiocomunicaciones es muy habitual la necesidad de modificar la
frecuencia portadora, como también sus consecuentes bandas laterales. Para
efectuar este proceso se utilizan técnicas semejantes a las descritas
anteriormente. Las señales moduladas se alimentan en la entrada "x" del
multiplicador. Se conecta un oscilador (oscilador local) en la entrada "y", a este
oscilador se lo ajusta en una frecuencia tal, que restada o sumada a la
portadora modulada, dé la frecuencia deseada. Este es el procedimiento
universalmente utilizado para obtener la frecuencia Intermedia en los
receptores.
Muchas veces en la practica los moduladores y demoduladores no solo
emplean señales seno, también es posible emplear señales periódicas como
las cuadradas. Además de la componente deseada (en ωc), aparecen términos
en otras frecuencias (armónicos) que es necesario eliminar antes de transmitir.
Se emplea un filtro Pasa Baja sintonizado (centrado) en ωc en el transmisor.
En recepción el esquema no varía.
A.2 MODULACION
En un sistema de comunicaciones electrónico se transfiere información de un
punto a otro usando circuitos electrónicos para la transmisión, recepción y
procesamiento de la información. La información de la fuente puede ser
analógica (continua) como la voz humana o digital (discreta) como números
binarios.
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS TECNOLOGÍA E INGENIERÍA
CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CUSO: 299009 – TELEFONÍA
Figura A.1. Sistema de comunicaciones electrónico.
El transmisor acondiciona la señal mediante dispositivos electrónicos de
manera que pueda ser transmitida en el medio de transmisión elegido. El
transmisor tiene a su cargo la modulación de la señal.
La modulación es el proceso por el cual se modifica un parámetro o
una propiedad de cualquier señal (llamada portadora), y esta variación
es proporcional a la información original. A la portadora se le pueden
modificar su amplitud (AM), frecuencia (FM) o fase (PM).
El medio de transmisión transporta las señales moduladas del transmisor al
receptor. El receptor contiene los dispositivos electrónicos o circuitos que
captan la señal del medio de transmisión, la demodula para recuperar su
forma original y finalmente la manda al destino.
Cuando hablamos de modulación se hace referencia al conjunto de técnicas
para transportar información sobre una onda portadora, típicamente una onda
sinusoidal. Estas técnicas permiten un mejor aprovechamiento del canal de
comunicación lo que posibilita transmitir más información en forma simultánea,
protegiéndola de posibles interferencias y ruidos. El objetivo de modular una
señal es tener control sobre la misma.
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS TECNOLOGÍA E INGENIERÍA
CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CUSO: 299009 – TELEFONÍA
Figura A.2. Ejemplo de modulación.
Se puede observar que la señal portadora es modificada basándose en la
amplitud de la señal moduladora y la señal resultante es la que se muestra en
el lado derecho.
Dependiendo del parámetro sobre el que se actúe, tenemos los distintos tipos
de modulación:
1.
2.
3.
Modulación de amplitud (AM)
Modulación de fase (PM)
Modulación de frecuencia (FM)
Figura A.3. Amplitud y frecuencia.
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS TECNOLOGÍA E INGENIERÍA
CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CUSO: 299009 – TELEFONÍA
A.3 MODULACION DE AMPLITUD (AM)
Este tipo de modulación no lineal consiste en hacer variar la amplitud de la
onda portadora de frecuencia relativamente alta, en proporción a las
variaciones de nivel de la señal moduladora, es decir la información a
transmitir.
Es el modo más antiguo de transmisión de voz y el estándar usado entre las
emisoras de radio en Onda Larga, Media y Corta. Como su nombre lo indica
este método de modulación utiliza la amplitud de onda para "transportar" el
audio. Como muestra la figura, la señal generada por el transmisor (portadora)
es mezclada con la señal de audio que se desea emitir haciendo variar la
amplitud de las ondas de la portadora (eje vertical de la grafica) mientras la
frecuencia de ciclos se mantiene constante (eje horizontal).
Figura A.4. Modulación AM
Los moduladores de AM son dispositivos no lineales, con dos entradas y una
salida. Una entrada es una señal portadora de alta frecuencia y amplitud
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS TECNOLOGÍA E INGENIERÍA
CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CUSO: 299009 – TELEFONÍA
constante, y la segunda esta formada por señales de información, de
frecuencia relativamente baja, que puede tener una sola frecuencia, o ser una
forma compleja de onda, formada a su vez por muchas frecuencias. Las
frecuencias que son lo suficientemente altas como para irradiarse en forma
eficiente de una antena, y propagarse por el espacio libre se suelen llamar
radiofrecuencias, o simplemente RF. En el modulador, la información actúa
sobre, o modula, la portadora de RF y produce una forma modulada de onda.
La señal de información puede tener una sola frecuencia, o con más
probabilidad, puede consistir en un intervalo de frecuencias. Por ejemplo, en
un sistema normal
de comunicaciones de voz se usa un intervalo de
frecuencias de información de 300 a 3000 Hz. A la forma de onda modulada
de salida de un modulador de AM se le llama con frecuencia envolvente de AM.
Espectro de frecuencias y ancho de banda en AM
Un modulador AM al ser un dispositivo no lineal presenta una onda compleja
formada por un voltaje dc, la frecuencia de la portadora y la suma (fc + fm) y
la diferencia (fc – fm) de las frecuencias, es decir los productos cruzados. Estas
frecuencias de suma y diferencia están desplazadas respecto a la frecuencia de
la portadora una cantidad igual a la frecuencia de la señal moduladora. Por
tanto un espectro de señal AM contiene los componentes de frecuencia
apartados fm Hz a ambos lados de la portadora. Sin embargo la onda
modulada no contiene un componente de frecuencia igual a la de la señal
moduladora.
El objetivo de la modulación es trasladar la señal moduladora en el dominio de
la frecuencia, de modo que se refleje simétricamente respecto a la frecuencia
de la portadora
Figura A.5. Espectro de frecuencias
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS TECNOLOGÍA E INGENIERÍA
CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CUSO: 299009 – TELEFONÍA
Por consiguiente el ancho de banda (B) de una onda de DSBFC6 de AM es igual
a la diferencia entre la frecuencia máxima de lado superior y la mínima del
lado inferior, o también, igual a dos veces la frecuencia máxima de la señal
modulante, es decir:
B = 2 fm(máx.)
Al considerar la señal moduladora como:
Y la señal portadora como:
La ecuación de la señal modulada en AM es la siguiente:
En donde:
y(t)
=
Señal modulada
Xn (t) = Señal moduladora normalizada con respecto a su amplitud ys(t)/As
m
=
Índice de modulación, suele ser menor que la unidad
As/Ap7.
El índice de modulación describe la cantidad de cambio de amplitud
(modulación) que hay en una forma de onda de AM. Este coeficiente se puede
expresar de igual manera como porcentaje de modulación e indica el cambio
porcentual de amplitud de la onda de salida cuando sobre la portadora actúa
una señal moduladora.
A.4 BANDAS LATERALES
Las bandas laterales son componentes espectrales, que son resultado de
modulación de amplitud o de frecuencia.
Llamamos espectro a una
representación gráfica discreta de una señal, donde se indican con barras o
líneas, la amplitud del pico de cada componente y su posición en el eje de las
abscisas (X), revela la frecuencia.
6
Aunque hay varias clases de modulación de amplitud, la que se usa con más frecuencia es la AM de
portadora de máxima potencia y doble banda lateral (DSBFC, por doublesideband full carrier).
7
Coeficiente de modulación igual a As/Ap. (As = cambio máximo de amplitud de la forma de onda de voltaje
de salida (volts). Ap = Amplitud máxima del voltaje de la portadora no modulada (volts)).
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS TECNOLOGÍA E INGENIERÍA
CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CUSO: 299009 – TELEFONÍA
En una señal modulada en amplitud, se observan tres términos. El primero de
ellos corresponde a una señal cuya frecuencia es la de la portadora, mientras
que el segundo corresponde a una señal cuya frecuencia es diferencia entre
portadora y moduladora y el tercero a una frecuencia suma de las frecuencias
de la portadora y moduladora. Todo este conjunto da lugar a un espectro de
frecuencias de las siguientes características.
figura A.6 Bandas laterales
Donde:
fp - fm: frecuencia lateral inferior
fp + fm: frecuencia lateral superior
Debido a que en general una señal analógica moduladora no es senoidal pura,
sino que tiene una forma cualquiera, a la misma la podemos desarrollar en
serie de Fourier y ello da lugar a que dicha señal esté compuesta por la suma
de señales de diferentes frecuencias. De acuerdo a ello, al modular no
tendremos dos frecuencias laterales, sino que tendremos dos conjuntos a los
que se denomina banda lateral inferior y banda lateral superior.
Como la información está contenida en la señal moduladora, se observa que en
la transmisión dicha información se encontrará contenida en las bandas
laterales, ello hace que sea necesario determinado ancho de banda para la
transmisión de la información.
Las bandas laterales realmente existen, no son solo un argumento
matemático, pueden ser filtradas y separadas. En al caso de AM hay dos
bandas laterales que se posicionan simétricas respecto de la ubicación original
de la portadora. Si se conoce el rango de frecuencias modulantes, es posible
predecir el margen de frecuencias que han de ocupar las bandas laterales;
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS TECNOLOGÍA E INGENIERÍA
CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CUSO: 299009 – TELEFONÍA
estos 3 elementos: la señal portadora y 2 "bandas laterales" que contienen la
información también son conocidos como "BLD - Banda Lateral Doble".
Ejemplo: si la frecuencia modulante puede variar entre 50 Hz y 4 KHz, las
frecuencias caerán, en el lado inferior, entre 6 KHz y 9,95 KHz. Mientras que
del lado superior las frecuencias decaerán entre 10,05 KHz y 14 KHz.
La distancia en frecuencias de las bandas laterales es igual a la frecuencia
moduladora.
La modulación en BLU (banda lateral única) consiste en la supresión de la
portadora y una de las bandas laterales con lo cual se transmite solo una
banda lateral conteniendo toda la información. Una vez captada la señal BLU
en el receptor, éste reinserta la portadora para poder demodular la señal y
transformarla en audio de nuevo.
La ventaja de este sistema sobre la AM es su menor ancho de banda
requerido; ya que una señal de AM transporta 2 bandas laterales y el BLU solo
una, por ejemplo una señal que en AM requiere 10kHz de ancho en BLU
necesitara de más o menos 5kHz. Además, al no requerir portadora, toda la
potencia de transmisión se puede aplicar a una sola banda lateral, lo cual a
hecho de este sistema el más popular entre los radioaficionados (los cuales
tienen licencias que limitan la potencia de transmisión de sus equipos) y
servicios utilitarios de onda corta.
Hay que aclarar que existen variantes de este modo de transmisión según las
bandas que se supriman:
1.
USB-Banda Lateral Superior: cuando es suprimida la portadora y la
banda lateral inferior.
2.
LSB-Banda Lateral Inferior: cuando es suprimida la portadora y la banda
lateral superior.
3.
Banda Lateral con portadora suprimida: cuando solo se suprime la
portadora.
A.5 MODULACION EN FRECUENCIA (FM)
La modulación en frecuencia consiste en variar la frecuencia de la portadora
proporcionalmente a la frecuencia de la onda moduladora (información),
manteniendo constante su amplitud. A diferencia de la AM, la modulación en
frecuencia (Frequency Modulation) crea un conjunto de complejas bandas
laterales cuya profundidad (extensión) dependerá de la amplitud de la onda
moduladora. Como consecuencia del incremento de las bandas laterales, la
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS TECNOLOGÍA E INGENIERÍA
CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CUSO: 299009 – TELEFONÍA
anchura del canal de la FM será más grande que el tradicional de la onda
media, siendo también mayor la anchura de banda de sintonización de los
aparatos receptores. La principal consecuencia de la modulación en frecuencia
es una mayor calidad de reproducción como resultado de su casi inmunidad
hacia las interferencias eléctricas. En consecuencia, es un sistema adecuado
para la emisión de programas (audio) de alta fidelidad.
La modulación en frecuencia (FM) y en fase (PM), son ambas formas de la
modulación angular. Existen varias ventajas en utilizar la modulación angular
en vez de la modulación en amplitud, tal como la reducción de ruido, la
fidelidad mejorada del sistema y el uso más eficiente de la potencia. Sin
embargo, FM y PM, tienen varias desventajas importantes, las cuales incluyen
requerir un ancho de banda extendida y circuitos más complejos, tanto en el
transmisor, como en el receptor.
Figura A.7. Modulación en FM
Ancho de banda en FM
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS TECNOLOGÍA E INGENIERÍA
CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CUSO: 299009 – TELEFONÍA
El ancho de banda de una señal FM es igual a diez veces el ancho de banda de
la señal modulada y como los anchos de banda AM, cubren un rango centrado
alrededor de la frecuencia de la portadora.
El ancho de banda total necesario para FM se puede determinar a partir del
ancho de banda de una señal de audio:
BW t = 10 x BWm
El ancho de banda de una señal de audio (voz y música) en estéreo es casi
15kHz. Cada estación de radio FM necesita, por tanto, un ancho de banda
mínimo de 150 KHz
Representación Matemática
La expresión matemática de la señal portadora, está dada por:
Vp(t) = Vp sen(2π fp t)
Donde Vp es el valor pico de la señal portadora y fp es la frecuencia de la señal
portadora.
Mientras que la expresión matemática de la señal moduladora está dada por:
Vm(t) = Vm sen(2π fm t)
Siendo Vm el valor pico de la señal moduladora y fm su frecuencia.
De acuerdo a lo dicho anteriormente, la frecuencia f de la señal modulada
variará alrededor de la frecuencia de la señal portadora de acuerdo a la
siguiente expresión
f = fp + Δf sen(2 π fm t)
por lo tanto la expresión matemática de la señal modulada resulta
Vp(t) = Vp sen[2π (fp + Δf sen(2 π fm t) ) t]
Δf se denomina desviación de frecuencia y es el máximo cambio de frecuencia
que puede experimentar la frecuencia de la señal portadora. A la variación
total de frecuencia desde la más baja hasta la más alta, se la conoce como
oscilación de portadora.
De esta forma, una señal moduladora que tiene picos positivos y negativos, tal
como una señal senoidal pura, provocara una oscilación de portadora igual a 2
veces la desviación de frecuencia.
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS TECNOLOGÍA E INGENIERÍA
CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CUSO: 299009 – TELEFONÍA
Una señal modulada en frecuencia puede expresarse mediante la siguiente
expresión
Se denomina índice de modulación a
Se denomina porcentaje de modulación a la razón entre la desviación de
frecuencia efectiva respecto de la desviación de frecuencia máxima permisible.
Al analizar el espectro de frecuencias de una señal modulada en frecuencia,
observamos que se tienen infinitas frecuencias laterales, espaciadas en fm,
alrededor de la frecuencia de la señal portadora fp; sin embargo la mayor
parte de las frecuencias laterales tienen poca amplitud, lo que indica que no
contienen cantidades significativas de potencia.
Figura A.8. Espectro de una señal de FM
Por ejemplo el espectro de de la señal FM que se ilustra en la figura anterior
indica que la señal modulante Acosωmt genera bandas laterales localizadas en
(ωc ± ωm), (ωc ± 2ωm), (ωc ± 3ωm), etc. En consecuencia se concluye que
la señal de FM de banda ancha contiene un número infinito de componente y
por tanto su ancho de banda es infinito. Sin embargo, las magnitudes de las
componentes de mayor frecuencia son sumamente pequeñas como para ser
despreciables, de modo que en la práctica existe un número finito de bandas
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS TECNOLOGÍA E INGENIERÍA
CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CUSO: 299009 – TELEFONÍA
laterales significativas, es decir, la potencia esta contenida en un ancho de
banda finito.
A.6 COCEPTOS GENERALES SOBRE MIC (PCM)
La Modulación por Impulsos Codificados es un procedimiento de modulación
utilizado para transformar una señal analógica en una secuencia de bits. En
los aparatos telefónicos habituales, las ondas sonoras procedentes de la voz
humana se transforman en una corriente eléctrica cuyas fluctuaciones siguen
fielmente las fluctuaciones de la voz transmitida.
Esta señal eléctrica por ser análoga a la onda sonora original, se denomina
señal analógica y es una función continua en el tiempo. A diferencia de la
señal analógica, la señal numérica solo puede tomar ciertos valores discretos,
por ejemplo, el valor "1" y el valor "0". A este tipo de señal numérica, que solo
puede tomar dos valores, se le llama señal numérica binaria y es la que
utilizan los sistemas MIC. La señal numérica no es, por tanto, una función
continua del tiempo.
Es necesario por tanto un procedimiento que permita convertir las señales
analógicas en numéricas antes de enviarlas al terminal distante, y una vez allí
convertir las señales numéricas en analógicas para recuperar la información
transmitida.
La modulación por impulsos codificados (Pulse Code Modulation), es un
procedimiento que permite convertir una señal analógica en señal numérica, y
viceversa. Esta conversión se basa en tres grandes principios:
1.
2.
3.
Muestreo
Cuantificación
Codificación
Muestreo
Muestreo es el proceso mediante el cual se transforma una señal analógica en
una serie de impulsos de distinta amplitud, llamadas muestras.
De acuerdo con la teoría de la información, si se quiere enviar una señal de
frecuencia f de un punto a otro, no es necesario transmitir la señal completa.
Es suficiente transmitir muestras (trozos) de la señal tomadas, por lo menos, a
una velocidad doble (2f) de la frecuencia de la señal. Esto es lo que se conoce
con el nombre de teorema del muestreo.
Así, por ejemplo, para transmitir una frecuencia de 4 kHz, es suficiente con
tomar muestras a una velocidad de 8 kHz, o más elevada.
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS TECNOLOGÍA E INGENIERÍA
CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CUSO: 299009 – TELEFONÍA
En estas condiciones, en el terminal distante se puede reconstruir, con
suficiente aproximación, la señal original a partir de las muestras.
Figura A.9
Muestreo
Cuantificación
Las muestras obtenidas a partir de la señal original no se envían directamente
a la línea, como podría, ya que poseen muy poca inmunidad al ruido.
Estas muestras tienen un rango de amplitudes que varia de forma continua.
Como no se puede pensar en transmitir las infinitas amplitudes distintas que se
pueden presentar, lo que se hace es dividir este rango continuo de amplitudes,
en un número limitado de intervalos, llamados intervalos de cuantificación, de
forma que a todas las muestras cuya amplitud cae dentro de un mismo
intervalo, se le asigna el mismo valor.
En la cuantificación se introduce un error en la amplitud de las muestras ya
que se sustituye su amplitud real por una aproximada. A este error se le llama
error de cuantificación.
La cuantificación es uniforme cuando los niveles de cuantificación están
espaciados uniformemente, En algunas aplicaciones de telefonía y procesado
de imágenes, es conveniente cuantificar los valores pequeños de señal con
niveles menores, es decir de manera más fina que los valores altos.
El empleo de un cuantificador uniforme equivale a pasar la señal en banda
base por un compresor y luego aplicar la señal comprimida a un cuantificador
uniforme. Hay dos métodos de cuantificación no uniforme, uno designado
como ley μ y otro como ley A. La cuantificación de acuerdo a la ley μ sigue la
regla siguiente:
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS TECNOLOGÍA E INGENIERÍA
CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CUSO: 299009 – TELEFONÍA
Donde m y v son los voltajes normalizados de entrada y salida y μ es una
constante positiva. Si μ = 0, la cuantificación es uniforme. La cuantificación de
acuerdo a la ley μ es aproximadamente lineal para niveles pequeños de la
señal de entrada, que corresponden a μ|m| << 1 y, aproximadamente
logarítmica para niveles grandes de la señal de entrada cuando μ|m| >> 1.
Por otra parte, la ley A está definida como:
En este caso la cuantificación uniforme se tiene cuando A = 1. Con el empleo
de compresión no uniforme se consigue mejorar la relación señal a ruido a
niveles bajos de señal, a expensas de la relación señal a ruido para señales
grandes.
Codificación
Una vez cuantificadas las muestras, se codifican según un código determinado.
El código utilizado en los sistemas MIC es el código binario simétrico. Mediante
este código se representa la amplitud de cada muestra cuantificada mediante
un número binario, en el que el primer bitio indica el signo de la muestra. Si la
muestra es positiva, el primer bitio es un "1" y si la muestra es negativa, el
primer bitio es un "0". El resto de los bitios binarios nos dan el valor absoluto
de la amplitud de la muestra.
Lógicamente, cuando la señal numérica llega al terminal distante, ha de ser
sometida a los procesos inversos a los efectuados en el lado emisor. Estos
procesos son: decodificación, reconstrucción de las muestras y obtención de la
señal analógica a partir de estas últimas.
A.7 CODIFICACION
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS TECNOLOGÍA E INGENIERÍA
CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CUSO: 299009 – TELEFONÍA
La información para poder ser transportada por determinado medio de
comunicación debe sufrir un proceso de transformación. La señal debe ser
manipulada, introduciéndole cambios identificables que puedan ser reconocidos
en el emisor y el receptor como representativos de la información transmitida.
Primero la información debe ser traducida a patrones acordados de ceros y
unos; existen varios tipos de conversión:
1.
2.
3.
4.
Conversión digital a digital o codificación de los datos digitales dentro de
una señal digital.
Conversión analógica a digital o digitalización de una señal analógica.
(Este proceso es utilizado para convertir la voz en una conversación
telefónica en una señal digital, el motivo reducir el efecto del ruido,
entre otras razones).
Conversión digital a analógica o modulación de una señal digital. (Este
proceso se emplea cuando se requiere enviar una señal digital desde
una computadora a través de un medio diseñado para transmitir
señales analógicas. Por ejemplo, para enviar datos de un lugar a otro
utilizando la red publica de telefonía)
Conversión de analógica a analógica o modulación de una señal
analógica.
Conversión digital a digital
La codificación digital a digital, es la representación de la información digital
mediante una señal digital. En este tipo de codificación, los unos y ceros
binarios generados por una computadora se traducen a una secuencia de
pulsos de voltaje que se pueden propagar por un cable.
Entre los mecanismos usados para este tipo de codificación, los más útiles se
agrupan en tres grandes categorías: unipolar, polar y bipolar.
1.
La codificación unipolar se denomina así porque usa únicamente una
polaridad. Esta polaridad se asigna a uno de los dos estados binarios,
habitualmente el 1. El otro estado, habitualmente el 0, se representa
por el voltaje 0.
2.
La codificación polar usa dos niveles de voltaje: uno positivo y otro
negativo. Gracias al uso de los dos niveles, en la mayoría de los
métodos de codificación polar se reduce el nivel de voltaje medio de la
línea y se alivia el problema de la componente DC (corriente continua
con frecuencia cero), existente en la codificación unipolar.
3.
La codificación bipolar, usa tres niveles de voltaje: positivo, negativo y
cero. El nivel cero se usa en la codificación bipolar para representar el 0
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS TECNOLOGÍA E INGENIERÍA
CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CUSO: 299009 – TELEFONÍA
binario.
Los unos se representan alternando voltajes positivos y
negativos. Si el primer bit se representa con una amplitud positiva, el
segundo se representara con una amplitud negativa, el tercero con una
amplitud positiva, etc. Esta alternancia ocurre incluso cuando los bits
uno no son consecutivos.
Conversión de análogo a digital
Existen varios métodos para efectuar la conversión de análogo a digital:
Figura A.10 Conversión de análogo a digital
Modulación por amplitud de pulsos (PAM)
Esta técnica toma una señal analógica, la muestrea y genera una serie de
pulsos basados en los resultados del muestreo. El termino muestreo significa
medir la amplitud de la señal en intervalos iguales.
Modulación por codificación en pulsos (PCM)
PCM modifica los pulsos creados por PAM para crear una señal completamente
digital. Para hacerlo, PCM cuantifica primero los pulsos PAM. La cuantificación
es el método para asignar valores integrales dentro de un rango específico de
instancias muestreadas. La PCM esta realmente compuesta por cuatro
procesos distintos: PAM, cuantificación, cuantificación binaria y codificación
digital a digital.
Conversión de digital a analógico
Proceso utilizado por ejemplo cuando se transmiten datos de una computadora
a través de una red telefónica, los datos originales son digitales, pero debido a
que los cables telefónicos transportan señales analógicas, es necesario
convertir dichos datos. Dos términos que se usan frecuentemente en la
transmisión de datos son la tasa de bits y la tasa de baudios, la tasa de bits es
el número de bits transmitidos durante un segundo. La tasa de baudios indica
el número de unidades de señal por segundo necesarias para representar estos
bits.
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS TECNOLOGÍA E INGENIERÍA
CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CUSO: 299009 – TELEFONÍA
Figura A.11 Conversión digital a analógico
Modulación por desplazamiento de amplitud (ASK)
En la ASK, la potencia de la señal portadora se cambia para representar el 0 o
el 1 binario. Tanto la frecuencia como la fase permanecen constantes mientras
que la amplitud cambia. La forma más simple y común de ASK funciona como
un interruptor que apaga/enciende la portadora, de tal forma que la presencia
de portadora indica un 1 binario y su ausencia un 0. Este tipo de modulación
por desplazamiento on-off es el utilizado para la transmisión de código Morse
por radiofrecuencia, siendo conocido el método como operación en onda
continua.
Modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK)
En la FSK (Frequency Shift Keying), la frecuencia de la señal portadora cambia
para representar el 1 y el 0 binario. La frecuencia de la señal durante la
duración del bit es constante y su valor depende de un bit (0 o 1): tanto la
amplitud de pico como la de base permanecen constantes. FSK evita la mayor
parte de los problemas de ruido de ASK. Debido a que el dispositivo receptor
esta buscando cambios específicos de frecuencia en un cierto numero de
periodos, puede ignorar los picos de voltaje. Los factores que limitan la FSK
son las capacidades físicas de la portadora.
Modulación por desplazamiento de fase (PSK)
En la PSK (Phase Shift Keying), la fase de la portadora cambia para
representar el 0 o el 1 binario. Tanto la amplitud de pico como la frecuencia
permanecen constantes mientras la fase cambia. Es una forma de modulación
angular consistente en hacer variar la fase de la portadora entre un número de
valores discretos. La diferencia con la modulación de fase convencional (PM) es
que mientras en ésta la variación de fase es continua, en función de la señal
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS TECNOLOGÍA E INGENIERÍA
CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CUSO: 299009 – TELEFONÍA
moduladora, en la PSK la señal moduladora es una señal digital y, por tanto,
con un número de estados limitado.
Modulación en amplitud en cuadratura (QAM)
La Modulación de amplitud en cuadratura significa combinar ASK y PSK de tal
forma que haya un contraste máximo entre cada bit, dibit, tribit8, etc. Al estar
PSK limitado por la habilidad de los equipos de distinguir pequeñas diferencias
en fase, limita su tasa de bits potencial. Generalmente se altera una de las tres
características de una onda seno cada vez, pero si se alteraran dos y se
combinaran ASK y PSK se podrían tener x variaciones en fase e y variaciones
en amplitud, dando x veces y posibles variaciones y el numero
correspondiente de bits por variación. Esto es lo que justamente hace la
Modulación en amplitud en cuadratura.
Las variaciones posibles de QAM son numerosas. Teóricamente cualquier valor
medible de cambios en amplitud se puede combinar con cualquier valor de
cambios en fase. Debido a que los cambios de amplitud son susceptibles al
ruido y requieren diferencias en el desplazamiento de los que necesitan los
cambios en fase, el número de desplazamientos en fase usados en un sistema
QAM es siempre mayor que el número de desplazamientos en amplitud.
Conversión de analógico a analógico
La conversión de analógico a analógico es la representación de información
analógica mediante una señal analógica. La modulación analógica a analógico
se puede conseguir de tres formas: modulación en amplitud (AM), modulación
en frecuencia (FM) y modulación en fase (PM).
Modulación en fase (PM)
Debido a los requisitos de hardware más sencillos, la modulación en fase (PM,
Phase Modulation) se usa en algunos sistemas como alternativa a la
modulación en frecuencia. En la transmisión PM, la fase de la señal portadora
se modula para seguir los cambios de voltaje (amplitud) de la señal modulada.
La amplitud pico y la frecuencia de la señal portadora permanecen constantes,
pero a medida que la señal de información cambia, la fase de la portadora
cambia de forma correspondiente. Los análisis y el resultado final (Señal
modulada) son similares a los de modulación en frecuencia.
A.8 MULTIPLEXACION
8
El par de bits representados por cada fase se denomina dibit, con 8 fases distintas, dada desplazamiento
puede representar 3 bits es decir un tribit al mismo tiempo.
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS TECNOLOGÍA E INGENIERÍA
CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CUSO: 299009 – TELEFONÍA
La multiplexación es la combinación de dos o más canales de información en
un solo medio de transmisión usando un dispositivo llamado multiplexor. En
otras palabras es el conjunto de técnicas que permite la transmisión
simultánea de múltiples señales a través de un único enlace de datos.
Figura A.12 Multiplexación
La figura anterior muestra un sistema multiplexado, en donde n dispositivos
comparten la capacidad de un enlace; los dispositivos de la izquierda envían
sus flujos de transmisión a un multiplexor, que los combina en un único flujo.
En el extremo receptor, el flujo se introduce en un demultiplexor que separa el
flujo en sus transmisiones componentes y los dirige a sus correspondientes
dispositivos receptores.
Métodos de multiplexación:
1.
2.
3.
la Multiplexación por división de tiempo o TDM (Time división
multiplexing );
la Multiplexación por división de frecuencia o FDM (Frequency-division
multiplexing);
la Multiplexación por división de onda WDM (Wave division
multiplexing).
Multiplicación por división de frecuencia (FDM)
Es una técnica analógica que se puede aplicar cuando el ancho de banda de un
enlace es mayor que los anchos de banda combinados de las señales a
transmitir. En FDM las señales generadas por cada dispositivo emisor se
modulan usando distintas frecuencias portadoras.
A continuación estas
señales moduladas se combinan en una única señal compuesta que será
transportada por el enlace. Las frecuencias portadoras estas separadas por
un ancho de banda suficiente como para acomodar la señal modulada. Estos
rangos del ancho de banda son los canales a través de los que viajan las
distintas señales.
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS TECNOLOGÍA E INGENIERÍA
CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CUSO: 299009 – TELEFONÍA
Multiplexación por división de onda (WDM)
Es conceptualmente la misma que FDM, exceptuando que la multiplexación y la
demultiplexacion involucran señales luminosas transmitidas a través de
canales de fibra óptica. La idea es la misma: se combinan distintas señales
sobre frecuencias diferentes. Sin embargo la diferencia, es que las frecuencias
son muy altas.
Multiplexación por división del tiempo (TDM)
Es un proceso digital que se puede aplicar cuando la capacidad de la tasa de
datos de la transmisión es mayor que la tasa de datos necesaria requerida por
los dispositivos emisores y receptores. En este caso, múltiples transmisiones
pueden ocupar un único enlace subdividiéndole y entrelazando las porciones.
La TDM se puede implementar de dos formas: TDM síncrona y TDM asíncrona.
La TDM síncrona significa que el multiplexor asigna siempre exactamente la
misma ranura de tiempo a cada dispositivo, tanto si el dispositivo tiene algo
que transmitir como si no. La TDM asíncrona permite multiplexar un cierto
número de líneas de entradas de baja velocidad sobre una única línea de alta
velocidad y a diferencia de la anterior la velocidad total de las líneas de
entrada puede ser mayor que la capacidad de la pista. La TDM asíncrona
soporta el mismo número de líneas de entrada que la síncrona con una
capacidad de enlace más pequeña.
A.9 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS SISTEMAS MIC
Las ventajas de la utilización de los sistemas MIC, se basa en las siguientes
especificaciones:
1.
2.
La calidad de transmisión de los sistemas MIC es casi independiente de
la distancia, debido a que una de las características de las señales
numéricas es su elevada inmunidad a los ruidos y a la interferencia en el
canal de comunicaciones. En los sistemas MIC la señal que se trasmite
a línea es una sucesión de "1" y "0" con lo cual los repetidores
intermedios solo tiene que reconocer y decidir si hay impulso ("1") o no
("0").
Regeneración eficiente de la señal codificada a lo largo de la trayectoria
de transmisión. Después de reconocer el impulso, el repetidor envía a
línea una secuencia nueva, idéntica a la transmitida por el terminal. Por
eso a estos repetidores se les llama repetidores regenerativos o
regeneradores, ya que, "regeneran" totalmente la señal deformada que
reciben.
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS TECNOLOGÍA E INGENIERÍA
CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CUSO: 299009 – TELEFONÍA
3.
4.
5.
Inicialmente los enlaces entre centrales se cubrían únicamente con
circuitos de BF (baja frecuencia) a 2H (dos hilos), debido a que el costo
de los terminales MDF9 es elevado y resultan poco rentables en rutas
cortas. La introducción de los sistemas MIC, muestran el empleo de
terminales más económicos permitiéndoles competir con la transmisión
de BF en cable, para rutas cortas; y resisten mejor las perturbaciones
de diafonías y ruidos características de los pares de enlace de los
sistemas MDF.
Formato uniforme de transmisión para diferentes clases de señales en
banda base, lo que permite integrarlas con otras formas de datos
digitales en un canal común mediante el multiplexado en tiempo.
Facilidad de encriptar la información para su transmisión segura.
En cuanto a las desventajas se tiene:
1.
2.
9
Aunque los circuitos lógicos y los equipos terminales MIC son mas
económicos que los circuitos analógicos, y las terminales MDF, esta
ventaja solo se aprecia en distancias cortas. Por el contrario, las líneas
de transmisión numéricas son generalmente más caras que las líneas
analógicas, para capacidades elevadas (gran número de canales) y
grandes distancias.
De esta manera la técnica numérica es más
ventajosa, económicamente, para las pequeñas y medias distancias y
para pequeñas y medias capacidades. Por el contrario, la técnica
analógica es más económica para grandes distancias y elevada
capacidad.
Otra desventaja se relaciona con la complejidad del sistema, así como el
mayor ancho de banda necesario. Respecto a la complejidad, la
tecnología actual de circuitos integrados en gran escala (VLSI) ha
permitido la implementación de sistemas a, relativamente bajo costo y
facilitado el crecimiento de este método o de sus variantes.
Sistemas multicanales en alta frecuencia o sistemas MDF (Multiplexado por división de frecuencia).