diseño y construccion intercomunicador inalambrico
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FECHA
26 de Enero de 2011
NÚMERO RA
PROGRAMA
Ingeniería Electrónica, Universidad de San Buenaventura
AUTOR (ES)
PRECIADO ROMERO, Alejandro; LÓPEZ RUBIANO, Elkin Yesid y
MÉNDEZ MURILLO, José Giovanni
TÍTULO
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN INTERCOMUNICADOR
INALÁMBRICO
PALABRAS
CLAVES
DESCRIPCIÓN
Intercomunicador, Inalámbrico, Remoto, estación base, operador,
usuario, enlace, extensiones, bidireccional, full dúplex, transmisión,
recepción, radiofrecuencia, controlador, manofono, red, modulación,
demodulación, frecuencia, canal, codificación, multiplexación,
conmutación, abonado, señalización, antena, modulo.
El intercomunicador inalámbrico se usa para facilitar la
comunicación entre dos interlocutores. Este se compone de dos
parte principales: estación base, que es la unidad principal de
comunicación y extensiones, las cuales son unidades de
comunicación remota.
FUENTES
BIBLIOGRÁFICAS
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comunicaciones. 2 ed. Madrid: McGraw Hill, 2002. 887 p.
MUÑOZ RODRIGUEZ, David. Sistemas inalámbricos de
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TANENBAUM, Andrew S. Redes de computadoras. 3 ed.
Naucalpan de Juárez: Pearson, 1994. 813 p.
GARCÍA BREIJO, Eduardo. Compilador C ccs y
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México D. F.: Alfaomega, 2008. 263 p.
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http://www.imelcom.com/
http://www.profesores.frc.utn.edu.ar/electronica/Electronic
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http://www.ie.itcr.ac.cr/marin/telematica/tcd/EIS/2.Modulac
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http://www.audiopro.cl/hme.php
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http://arieldx.tripod.com/manualdx/bandas/modulacion.htm
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http://www.compostelawireless.net/modules/sections/inde
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http://ec.europa.eu/health/opinions2/es/camposelectromagneticos/glosario/
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EMA=l%C3%B3bulo
http://www.prteducativo.com/ninos/partesdeltelefono.htm
http://jro.igp.gob.pe/newsletter/200802/noticia3.php
NÚMERO RA
PROGRAMA
CONTENIDOS
Ingeniería
Electrónica,
Buenaventura
Universidad
de
San
OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
Objetivo general
Diseñar y construir un prototipo de intercomunicador
inalámbrico de voz con una capacidad mínima de
cuatro extensiones, para ser utilizado en estructuras
residenciales o corporativas
Objetivos específicos
• Determinar cuál es la tecnología que se va a
utilizar para implementar el sistema inalámbrico
de transmisión y recepción.
• Seleccionar los dispositivos de transmisión y
recepción más adecuados para el sistema de
comunicación.
• Adaptar módulos de radiofrecuencia para
transmisión y recepción.
• Diseñar e implementar el control del
intercomunicador, tanto para la estación base
como para las extensiones.
• Realizar pruebas de funcionamiento del
sistema.
• Diseñar e implementar una interfaz de usuario
que muestre diferentes tipos de mensajes.
CONTENIDO
INTRODUCCIÓN
1.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1
ANTECEDENTES
1.2
DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN
PROBLEMA
1.3
JUSTIFICACIÓN
1.4
OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
1.4.1 Objetivo general
1.4.2 Objetivos específicos
1.5
ALCANCES Y LIMITACIONES
2.
MARCO DE REFERENCIA
2.1
MARCO TEÓRICO-CONCEPTUAL
2.1.1 Intercomunicador
2.1.2 Comunicación inalámbrica
2.1.3 Modulación
2.1.4 Conversión de analógico a digital
2.1.5 Conversión de digital a analógico
DEL
2.1.6 Conversión de analógico a analógico
2.1.7 Codificación
2.1.8 Multiplexación
2.1.9 Conmutación
2.1.10 Señalización telefónica
2.1.11 Antenas
93
2.1.12 Transmisión bluetooth
2.1.13 Transmisión ZigBee
2.1.14 Transmisión Wi-Fi
2.1.15 Transmisión por radiofrecuencia (RF)
2.1.16 Transmisión infrarroja
2.1.17 Comunicaciones inalámbricas en ambiente
interior
3.
METODOLOGÍA
3.1
ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN
4.
LÍNEA DE INVESTIGACIÓN DE USB/SUBLÍNEA DE FACULTAD/CAMPO TEMÁTICO DEL
PROGRAMA
4.1
LINEAS DE INVESTIGACIÓN USB
4.2
SUB-LINEA DE LA FACULTAD
4.3
CAMPO TEMÁTICO
5.
DESARROLLO INGENIERIL
5.1
ESTACIÓN BASE
5.2
EXTENSIONES
6.
ANALISIS DE RESULTADOS.
6.1
COMUNICACIÓN MULTIPUNTO.
6.2
COMUNICACIÓN PUNTO A PUNTO.
6.3
OPTIMIZACIÓN DEL PROTOTIPO
6.4
PRUEBAS DE ALCANCE
7.
RECOMENDACIONES
8.
CONCLUSIONES
9.
BIBLIOGRAFÍA
10.
ANEXOS
NÚMERO RA
PROGRAMA
METODOLOGÍA
Ingeniería Electrónica, Universidad de San Buenaventura
LÍNEA DE INVESTIGACIÓN DE USB/SUB-LÍNEA DE
FACULTAD/CAMPO TEMÁTICO DEL PROGRAMA
LINEAS DE INVESTIGACION USB
Tecnologías actuales y sociedad
Las tecnologías alámbricas están siendo reemplazadas en la
sociedad por métodos inalámbricos en muchos de los dispositivos
de uso común en comunicaciones. Esto ha hecho necesario que
las investigaciones desarrollen nuevas funciones y aplicaciones
que contribuyan al desarrollo tecnológico con el fin de obtener
nuevos dispositivos electrónicos que permitan solucionar diversos
problemas que aún persisten en telecomunicaciones y así lograr
satisfacer las necesidades de la sociedad.
SUB-LINEA DE LA FACULTAD
Sistemas de información y comunicación
Los sistemas de información permiten desarrollar los procesos
de una forma sistematizada de tal manera que cada uno de estos
cumpla una función específica. Actualmente estos sistemas se
encuentran inmersos en diferentes áreas del conocimiento que
han permitido de cierta manera la evolución
del mundo
tecnológico y más específicamente los procesos de comunicación
que permiten que diversos dispositivos se encuentren al servicio
de la sociedad.
Los sistemas de comunicaciones, permiten la transmisión y
recepción de mensajes, ya sean de datos, voz o video. Como
estructura general de estudio, el proceso de comunicación se
puede considerar dividido en varias etapas que son: captación de
la información, modulación, transmisión, propagación, recepción,
demodulación, almacenamiento, reproducción y en general, todas
las fases necesarias para lograr una comunicación de forma
exitosa. Para lograr esto, se necesita de un análisis de los
componentes que hacen parte de cada una de las etapas
necesarias. Son inevitables las prácticas y pruebas estadísticas
del funcionamiento de dispositivos, especialmente los de
trasmisión inalámbrica. Esto con el fin de tener unos datos
prácticos de sus características y poder así conocer los posibles
campos en que podrían ser aplicados o la forma en que podrían
ser utilizados en un diseño realizado. Es necesario un trabajo
investigativo de lo anterior, para lograr un desarrollo óptimo.
CAMPO TEMATICO
Comunicaciones
En el proceso del desarrollo de las comunicaciones se han
generado cambios continuos para fortalecer diversos servicios en
beneficio de la sociedad. Desde la telefonía móvil hasta el
Internet, son servicios que permiten la comunicación con
diferentes partes del mundo y la ingeniería electrónica ha sido
parte fundamental en este complejo proceso.
Para el desarrollo de un intercomunicador basado en
comunicaciones inalámbricas deberá tenerse en cuenta las
fortalezas de las diversas tecnologías actuales empleadas en los
sistemas de comunicación. Esto permitirá el desarrollo adecuado
de la aplicación, lográndose alta calidad y estabilidad en su
funcionamiento.
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN
DE UN
INTERCOMUNICADOR
INALÁMBRICO
Trabajo de grado
Enero de 2011
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA, SEDE BOGOTÁ
ALEJANDRO PRECIADO ROMERO, ELKIN YESID LOPEZ RUBIANO, JOSÉ GIOVANNI MÉNDEZ MURILLO
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN INTERCOMUNICADOR INALÁMBRICO
PRESENTADO POR:
ALEJANDRO PRECIADO ROMERO
ELKIN YESID LOPEZ RUBIANO
JOSÉ GIOVANNI MÉNDEZ MURILLO
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE ELECTRÓNICA
BOGOTÁ D.C.
2011
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN INTERCOMUNICADOR INALÁMBRICO
PRESENTADO POR:
ALEJANDRO PRECIADO ROMERO
ELKIN YESID LOPEZ RUBIANO
JOSÉ GIOVANNI MÉNDEZ MURILLO
Trabajo de grado para optar por el título de Ingeniero Electrónico
ASESOR:
Ing. Luis Carlos Gil Bernal
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE ELECTRÓNICA
BOGOTÁ D.C.
2011
Nota de aceptación
____________________________
____________________________
____________________________
____________________________
____________________________
____________________________
____________________________
Firma del presidente del jurado
____________________________
Firma del jurado
____________________________
Firma del jurado
Bogotá, 21 de enero del año 2011
CONTENIDO
pág.
INTRODUCCIÓN
19
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
21
1.1 ANTECEDENTES
21
1.1.1 Propuestas internacionales
21
1.1.2 Propuestas en Colombia
24
1.2 DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
26
1.3 JUSTIFICACIÓN
26
1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
27
1.4.1 Objetivo general
27
1.4.2 Objetivos específicos
28
1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES
28
2. MARCO DE REFERENCIA
30
2.1 MARCO TEÓRICO-CONCEPTUAL
30
2.1.1 Intercomunicador
30
2.1.2 Comunicación inalámbrica
31
2.1.2.1 Asignación de radio frecuencia
31
1
2.1.2.2 Propagación de las ondas de radio
32
2.1.2.3 Propagación de señales específicas
33
2.1.3 Modulación
35
2.1.4 Conversión de analógico a digital
37
2.1.4.1 Modulación por amplitud de pulsos (PAM)
37
2.1.4.2 Modulación por codificación en pulsos (PCM)
38
2.1.4.3 Frecuencia de muestreo aplicada en PAM y PCM
41
2.1.5 Conversión de digital a analógico
41
2.1.5.1 Modulación por desplazamiento de amplitud (ASK)
43
2.1.5.2 Modulación por desplazamiento de frecuencia FSK
45
2.1.5.3 Modulación por desplazamiento de fase (PSK)
47
2.1.6 Conversión de analógico a analógico
51
2.1.6.1 Modulación en amplitud (AM)
52
2.1.6.2 Modulación FM
55
2.1.6.3 Modulación en fase (PM)
57
2.1.7 Codificación
58
2.1.7.1 Unipolar
59
2.1.8 Multiplexación
60
2.1.8.1 Multiplexación por división de frecuencia
61
2
2.1.8.2 Multiplexación por división en el tiempo (TDM)
64
2.1.9 Conmutación
68
2.1.9.1 Conmutación por división en el espacio.
70
2.1.10 Señalización telefónica
72
2.1.10.1 Señalización entre abonado y central
73
2.1.10.2 Señalización de abonado analógico
73
2.1.10.3 Señalización entre centrales
76
2.1.10.4 Señalización por canal común
82
2.1.11 Antenas
86
2.1.11.1 Antenas dipolo
89
2.1.11.2 Antenas receptoras de AM y FM
93
2.1.11.3 Antena GSM
93
2.1.12 Transmisión bluetooth
94
2.1.12.1 Funcionamiento
95
2.1.12.2 Arquitectura de hardware.
96
2.1.12.3 Arquitectura de software.
97
2.1.12.4 Transmisión.
97
2.1.12.5 Protocolos de conexión
98
2.1.13 Transmisión ZigBee
99
3
2.1.14 Transmisión Wi-Fi
101
2.1.15 Transmisión por radiofrecuencia (RF)
102
2.1.16 Transmisión infrarroja
103
2.1.17 Comunicaciones inalámbricas en ambiente interior
103
2.1.17.1 Propagación en ambiente interior
105
2.1.17.2 Zona extra-grande
109
2.1.17.3 Zona grande
110
2.1.17.4 Zona mediana
112
2.1.17.5 Zona pequeña
113
2.1.17.6 Micro-zona
114
2.1.17.7 Técnicas de desempeño
115
3. METODOLOGÍA
118
3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN
118
4. LÍNEA DE INVESTIGACIÓN DE USB/SUB-LÍNEA DE FACULTAD/CAMPO
TEMÁTICO DEL PROGRAMA
119
4.1 LINEAS DE INVESTIGACIÓN USB
119
4.1.1 Tecnologías actuales y sociedad
119
4.2 SUB-LINEA DE LA FACULTAD
119
4.2.1 Sistemas de información y comunicación
119
4.3 CAMPO TEMÁTICO
120
4
4.3.1 Comunicaciones
120
5. DESARROLLO INGENIERIL
121
5.1 ESTACIÓN BASE
123
5.1.1 Controlador central
123
5.1.1.1 Control de la Interfaz de usuario
127
5.1.1.2 Control del módulo de transmisión y recepción
127
5.1.1.3 Control del teléfono
127
5.1.1.4. Estructura lógica del controlador de la estación base
130
5.1.2 Etapa de transmisión y recepción
133
5.1.2.1 Selección de la tecnología Inalámbrica que se va a utilizar.
133
5.1.2.2 Selección del módulo de RF.
135
5.1.2.3 Descripción del módulo de RF
135
5.1.3 Teléfono
139
5.1.3.2 Amplificación del teléfono
141
• Micrófono
141
• Parlante
145
5.1.4 Interfaz de usuario
148
5.2 EXTENSIONES
151
5.2.1 Estructura lógica del controlador (extensiones)
151
5
5.2.2 Indicadores de usuario
153
6. ANALISIS DE RESULTADOS.
155
6.1 COMUNICACIÓN MULTIPUNTO.
155
6.2 COMUNICACIÓN PUNTO A PUNTO.
156
6.3 OPTIMIZACIÓN DEL PROTOTIPO
157
6.4 PRUEBAS DE ALCANCE
158
6.5 Diseño final del dispositivo
160
7. RECOMENDACIONES
162
8. CONCLUSIONES
163
9. BIBLIOGRAFÍA
164
10. ANEXOS
167
6
LISTA DE TABLAS
pág.
Tabla 1. Bandas de comunicación por radiofrecuencia.
31
Tabla 2. Comparación entre sistemas de comunicación inalámbrica.
104
Tabla 3. Configuraciones de las áreas de trabajo.
107
Tabla 4. Factores de atenuación.
113
Tabla 5. Microcontroladores PIC
124
Tabla 6. Datos de señalización.
131
Tabla 7. Ventajas y desventajas tecnologías de comunicación
133
Tabla 8.Selección de frecuencia
138
Tabla 9. Dato de señalización recibido en las extensiones
139
7
LISTA DE FIGURAS
pág.
Figura 1. Intercomunicador Radio Shack modelo 4300124.
22
Figura 2. Intercomunicador DX200 Digital Wireless Intercom fabricado por
HME.
23
Figura 3. Intercomunicador Digital Teleincom Plus
25
Figura 4. Cadena de transmisión global.
36
Figura 5. PAM, modulación por ancho de pulso.
38
Figura 6. Señal PAM cuantificada.
39
Figura 7. Cuantificación usando signo y magnitud.
40
Figura 8. PCM, modulación por codificación en pulsos.
40
Figura 9. Tipos de modulación de digital a analógico.
42
Figura 10. ASK, modulación por desplazamiento de amplitud.
43
Figura 11. FSK, modulación por desplazamiento de frecuencia.
46
Figura 12. PSK, modulación por desplazamiento de fase.
47
Figura 13. Constelación PSK.
48
Figura 14. 4-PSK
49
Figura 15. Características del 4-PSK.
50
Figura 16. Características del 8-PSK.
51
Figura 17. Tipos de modulación de analógico a analógico.
52
Figura 18. Modulación en amplitud.
53
8
Figura 19. Modulación en frecuencia.
56
Figura 20. Codificación.
58
Figura 21. Codificación unipolar.
60
Figura 22. Clases de multiplexación.
61
Figura 23. FDM, multiplexación por división de frecuencia.
62
Figura 24. FDM, proceso de multiplexación, dominio del tiempo.
63
Figura 25. FDM, proceso de multiplexación, dominio de frecuencia.
64
Figura 26. TDM, multiplexación por división en el tiempo.
65
Figura 27. TDM síncrona, proceso de multiplexación.
66
Figura 28. TDM asíncrona.
67
Figura 29. Métodos de conmutación.
68
Figura 30. Esquema de un conmutador de circuitos.
69
Figura 31. Esquema de un conmutador plegado.
70
Figura 32. Conmutador de barras cruzadas.
71
Figura 33. Conmutador multietapa.
72
Figura 34. Señalización, esquema básico.
73
Figura 35. Señalización de abonado analógico.
74
Figura 36. Señalización de línea.
79
Figura 37. Señalización canal común.
83
Figura 38. Diagrama de radiación horizontal y vertical de una antena dipolo.
88
Figura 39. Lóbulos principal y secundario de una antena.
9
89
Figura 40. Ancho de haz.
90
Figura 41. Ejemplo de una antena dipolo.
91
Figura 42. Configuración de zonas por cobertura.
108
Figura 43. Configuración de zona grande.
111
Figura 44. Comunicación inalámbrica en micro-zona.
115
Figura 45. Diagrama general del intercomunicador inalámbrico.
121
Figura 46. Diagrama funcional en bloques del intercomunicador inalámbrico.
122
Figura 47. Diagrama en bloques de la estación base.
123
Figura 48.Diagrama controlador (estación base)
126
Figura 49. Diagrama de flujo estación base
131
Figura 50. Diagrama de flujo comunicación con el destino.
132
Figura 51. Módulos RF 900 DV, base (B) y remoto (H).
136
Figura 52. Módulo RF900DV
137
Figura 53. Diagrama del teléfono
140
Figura 54. Circuito impreso para adecuación del teléfono
141
Figura 55. Etapa de amplificación del micrófono.
142
Figura 56. Amplificación parlante LM386.
145
Figura 57. Teclado 3x4
149
Figura 58. Mensaje de espera
149
Figura 59. Habilita marcación
149
Figura 60. Visualización de la marcación
150
10
Figura 61. Llamando a la extensión
150
Figura 62. Inicio de llamada
150
Figura 63. Finalización de llamada
151
Figura 64. Diagrama de flujo extensiones.
152
Figura 65. Indicadores para Usuario
153
Figura 66. Circuito esquemático extensiones
154
Figura 67. Comunicación multipunto.
156
Figura 68. Comunicación punto a punto.
157
Figura 69. Prueba de Alcance
159
Figura 70. Extensiones
159
Figura 71. Consola (base).
160
Figura 72. Extensiones.
161
11
GLOSARIO
ABONADO: persona natural o jurídica usuaria, bajo contrato, de una red pública
de telecomunicaciones, a la cual tiene derecho a acceder para establecer sus
comunicaciones.
ACRÓNIMO: palabra formada por iníciales, y a veces, por más letras de otras
palabras.
AMPLITUD: es una medida de la variación máxima del desplazamiento u otra
magnitud física que varía periódica o cuasi periódicamente en el tiempo. Es la
distancia máxima entre el punto más alejado de una onda y el punto de equilibrio o
medio.
ANÁLOGICO: se refiere a las magnitudes o valores que varían con el tiempo en
forma continua (distancia, temperatura, velocidad, voltaje, frecuencia, amplitud,
etc.) y pueden representarse en forma de ondas.
ATENUACIÓN: es la reducción de nivel de una señal, cuando pasa a través de un
elemento de un circuito, o la reducción en nivel de la energía de vibración, cuando
pasa a través de una estructura.
BANDA ANCHA: significa que lleva más de una señal y cada una de ellas se
transmite en diferentes canales, hasta su número máximo de canales.
BANDA BASE: se habla de señal en banda base cuando se designan los
mensajes emitidos. Banda base es la señal de una sola transmisión en un canal.
12
BAUDIO: unidad de medida, usada en telecomunicaciones, que representa el
número de símbolos transmitidos por segundo en una red analógica.
BIT: un bit es una señal electrónica que puede estar encendida (1) o apagada (0).
Es la unidad más pequeña de información. Son necesarios 8 bits para crear un
byte.
CADENCIA: número de bits que se transmiten por unidad de tiempo.
CÍCLICO: que se repite o sucede cada cierto tiempo y de la misma forma.
COLINEAL: que se encuentra en la misma línea recta.
CUANTIFICACIÓN: es el método para asignar valores integrales dentro de un
rango específico de instancias muestreadas.
dB (decibelio): es la unidad relativa empleada en acústica y telecomunicaciones
para expresar la relación entre dos magnitudes, acústicas o eléctricas, o entre la
magnitud que se estudia y una magnitud de referencia. El decibelio, cuyo símbolo
es dB, es una unidad logarítmica.
dBm: el dBm es una unidad de medida utilizada, principalmente, en
telecomunicación para expresar la potencia absoluta mediante una relación
logarítmica. El dBm se define como el nivel de potencia en decibelios en relación a
un nivel de referencia de 1 mili Vatio.
DECÁDICO: (Marcación decádica), consiste en el envío por el teléfono de la
información numérica, en forma de pulsos, a la central telefónica automática para
que esta le conecte con el teléfono deseado.
13
DIGITAL: es cualquier señal o modo de transmisión que utiliza valores discretos
en lugar de un espectro continúo de valores (como las señales analógicas). Los
valores pueden medir voltaje, frecuencia, amplitud, ubicación, etc.
DTMF (Dual Tone Multifrequency: Multifrecuencia de doble tono): tonos en
diferentes Hertz que se utilizan en telefonía para marcar números. Cada número u
opción del teléfono tiene su tono que es identificado en la telefonía.
ENCAMINAMIENTO: también llamado enrutamiento, se refiere a la selección del
camino en una red, por donde se envían datos.
ERLANG: es una unidad adimensional utilizada en telefonía como una medida
estadística del volumen de tráfico.
ESTACIÓN BASE: es una estación de transmisión y recepción situada en un lugar
fijo, compuesta de una o más antenas de recepción/transmisión, y un conjunto de
circuitos electrónicos, que es utilizada para manejar el tráfico telefónico.
ESTEREOFÓNICO: que se graba y se reproduce por medio de dos o más
canales, que se reparten los tonos agudos y graves, dando de este modo una
sensación de relieve acústico. Se aplica al equipo o sistema que usa esta técnica
para grabar y reproducir el sonido.
FACTIBILIDAD: se refiere a la disponibilidad de los recursos necesarios para
llevar a cabo los objetivos o metas señalados. Generalmente la factibilidad se
determina sobre un proyecto.
FASE: es una medida de la diferencia de tiempo entre dos ondas senoidales.
14
FRECUENCIA: es una magnitud que mide el número de repeticiones por unidad
de tiempo de cualquier fenómeno o suceso periódico.
FULL-DUPLEX: cualidad de los elementos que permiten la entrada y salida de
datos de forma simultánea.
GPRS: (General Packet Radio Service). Es una red de conmutación de paquetes
que está superpuesta a la red GSM. Basado en esta, permite una mayor velocidad
de transmisión de datos (de hasta 50 kbits por segundo) y posibilita a los
terminales estar conectados permanentemente a la red.
GSM: (Global System for Mobile communications): es un sistema digital de
telefonía móvil que provee un estándar común para los usuarios, permitiendo el
roaming internacional y la capacidad de ofrecer a alta velocidad servicios
avanzados de transmisión de voz, datos y video, y otros servicios de valor
agregado.
HARDWARE: término inglés que hace referencia a cualquier componente físico
tecnológico, que trabaja o interactúa de algún modo con el computador.
INTERFERENCIA COCANAL: es una interferencia que se presenta en la misma
banda de frecuencias que la señal útil.
INTERFONO: red y aparato telefónico utilizado para las comunicaciones internas
entre despachos de un mismo edificio.
LÓBULO: cada una de las partes, a manera de ondas, que sobresalen en el borde
de una cosa.
15
MANÓFONO: parte del teléfono fijo estándar que se utiliza para hablar y
escuchar.
MUESTREO: este término significa medir la amplitud de la señal a intervalos
iguales de tiempo. Tomar muestras.
MULTIPLEXACIÓN: combinación de dos o más canales de información en un
solo medio de transmisión usando un dispositivo llamado multiplexor.
NODO: punto de intersección o unión de varios elementos que confluyen en el
mismo lugar. En una red cada computadora constituye un nodo.
PCB: circuito impreso o PCB (del inglés Printed Circuit Board), es un medio para
sostener mecánicamente y conectar eléctricamente componentes electrónicos, a
través de rutas o pistas de material conductor.
PROPAGACIÓN: conjunto de fenómenos físicos que conducen a las ondas del
transmisor al receptor.
RADAR (RAdio Detection And Ranging: detección y medición de distancias por
radio): es un sistema que usa ondas electromagnéticas para medir distancias,
altitudes, direcciones y velocidades de objetos estáticos o móviles como
aeronaves, barcos, vehículos motorizados, formaciones meteorológicas y el propio
terreno.
RANURA DE TIEMPO: intervalo de tiempo continuamente repetido o un periodo
de tiempo en el que dos dispositivos son capaces de interconectarse.
16
RUIDO: este término se refiere a los voltajes no intencionales introducidos dentro
de una línea por fenómenos variados tales como el calor o la inducción
electromagnética creada por otras fuentes.
SEÑAL CONTÍNUA: es una señal que puede expresarse como una función cuyo
dominio se encuentra en el conjunto de los números reales, y normalmente es el
tiempo.
SEÑAL DISCRETA: es una señal discontinua que está definida para todos los
puntos de un intervalo determinado del conjunto de los números enteros.
SEÑAL PORTADORA: se denomina señal portadora, en la transmisión analógica,
a la señal de alta frecuencia que actúa como base para transmitir la señal de
información. Esta señal es producida por el dispositivo emisor.
SEÑAL SINUSOIDAL: es una señal cuyo valor de magnitud varía en función del
tiempo.
SOFTWARE: término inglés que hace referencia a cualquier programa, que
trabaja o interactúa de algún modo con el computador o cualquier otro tipo de
hardware.
TASA DE BAUDIOS: se hace referencia a la tasa de baudios como el número de
unidades de señal por segundo.
TASA DE BITS: se hace referencia a la tasa de bits como el número de bits por
segundo.
17
TRAMA: pequeños paquetes de información que se utilizan para transferir un
mensaje a través de una red. Cada paquete posee una estructura y tamaño
diferente dependiendo del protocolo que lo utilice.
TRONCAL: es un enlace que interconecta las llamadas externas de una central
telefónica, concentrando y unificando varias comunicaciones simultáneas en una
sola señal para un transporte y transmisión a distancia más eficiente
(generalmente digital) y poder establecer comunicaciones con otra central o una
red entera de ellas.
VIDEOPORTERO: intercomunicador con interfaz de video.
18
INTRODUCCIÓN
La transmisión inalámbrica ha revolucionado el campo de las comunicaciones. Los
sistemas que emplean esta tecnología son cada vez más fáciles de implementar e
instalar, pues evitan el empleo de cableado y las molestas reformas estructurales,
con lo cual resultan rápidos y poco dispendiosos los procedimientos de instalación.
El mundo tecnológico e ingenieril actual es tan versátil e innovador a nivel de las
telecomunicaciones que actualmente para comunicarse, basta con sacar un
teléfono celular del bolsillo y hablar con amigos y seres queridos que pueden estar
al otro lado del mundo, tal como si los estuvieran a escasos metros, e incluso
creando la ilusión de que en ese momento se acompañan físicamente. Pero todo
esto no sería posible sin la ayuda de la tecnología inalámbrica, la cual ha tomado
casi medio siglo perfeccionar.
Innumerables ideas vienen a la mente cuando se piensa en la enorme cantidad de
posibilidades que ofrece la tecnología inalámbrica. Sus aplicaciones van desde la
opción de expresar las ideas y emociones a distancias cortas, hasta la
visualización de lugares, cosas y personas ubicadas a miles de kilómetros de
distancia.
Puede decirse que tanto las comunicaciones de larga distancia como las de corta
distancia han sido suficientemente investigadas, desarrolladas, diversificadas y
explotadas por el ser humano, llegando a ser hoy en día muy avanzadas en
cuanto a velocidad de transmisión, capacidad de los enlaces y calidad de la
comunicación. En el presente proyecto se ha decidido trabajar en el área de las
comunicaciones a corta distancia, enfrentando el diseño, el desarrollo y la
construcción de un intercomunicador inalámbrico de voz, haciendo énfasis en las
grandes ventajas que este puede ofrecer, frente a su competidor no inalámbrico.
19
La necesidad de contar con intercomunicadores cada vez más modernos y
eficientes ha llevado al desarrollo y a la utilización de muy diversas técnicas de
transmisión, las cuales serán analizadas y estudiadas a través del presente
proyecto, para determinar la forma más adecuada para la implementación de la
aplicación citada. El objetivo será el de desarrollar un sistema que resulte fiable y
funcional, teniendo en cuenta factores tan importantes como la calidad de la
transmisión y los costos.
Al final se tendrá un elemento de comunicación versátil que no solo podrá
utilizarse como intercomunicador inalámbrico en conjuntos residenciales, sino
también en edificaciones donde la comunicación entre diferentes secciones sea
indispensable y que para su instalación no se requiera de costosas redes
cableadas dentro de una estructura ya prediseñada.
20
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1
ANTECEDENTES
En el ámbito nacional e internacional existen algunos ejemplos de sistemas de
intercomunicadores que las universidades y empresas privadas han desarrollado
con diferentes niveles de éxito. A continuación se mencionan algunos de ellos.
1.1.1 Propuestas internacionales
En Madrid, España, es de destacar el Grupo Isis del Departamento de Tecnología
Electrónica de la Universidad de Málaga (UMA). Este grupo fue el creador de un
sistema de intercomunicación empleando bluetooth, en el año 2004. Este sistema
permite atender llamadas entrantes al intercomunicador de la casa a través de un
teléfono móvil. Para esto sólo se necesita incorporar un dispositivo de
telecomunicaciones al intercomunicador, con lo cual es posible contestar llamadas
o abrir la puerta desde cualquier lugar de la casa. Además, gracias a una conexión
GPRS, se puede atender llamadas en forma remota desde fuera de la casa, e
incluso saber quién ha llamado al intercomunicador, ya que ésta información
aparece en el teléfono móvil como si fuera una llamada perdida1.
En Norteamérica se ofrece el intercomunicador Radio Shack modelo 43-31052, de
3 estaciones y 3 canales, el cual tiene funciones muy limitadas ya que solo cuenta
con 3 canales de voz con un alcance de 10 metros y no posee auricular tipo
1
http://inventos.teoriza.net/portero-electronico-con-bluetooth-abre-la-puerta-desde-tu-telefonomovil.php
2
http://www.radioshack.com/product/index.jsp?productId=2036287
21
manófono para los usuarios; opera con frecuencias FM de 200, 230 y 270 kHz.
Por otro lado está el Radio Shack modelo 43001243, que es un poco más versátil.
Este cuenta con 4 estaciones y tiene un alcance de 60 metros, pero tampoco
posee auricular tipo manófono para los usuarios (en la Figura 1 puede verse dicho
dispositivo).
Figura 1. Intercomunicador Radio Shack modelo 4300124.
Fuente:http://rsk.imageg.net/graphics/product_images/pRS1C3176083w345.jpg
En Poway, California, la empresa de fabricación electrónica HME ha elaborado
productos con tecnología inalámbrica entre los que se encuentran el micrófono
profesional
inalámbrico
y
el
intercomunicador
inalámbrico.
Entre
los
intercomunicadores se destaca el Intercomunicador inalámbrico digital DX200
3
http://www.radioshack.com/product/index.jsp?productId=2464775
22
(Digital Wireless Intercom), que ofrece un alto rendimiento y permite una
comunicación de excelente calidad4. (Ver Figura 2).
Figura 2. Intercomunicador DX200 Digital Wireless Intercom fabricado por
HME.
Fuente:http://www.pro-design.com.au/product_info.php?product_id=599
En México, empresas como INTEC han elaborado productos de alta calidad para
cubrir las
necesidades de comunicación de sus clientes. Productos como el
interfono, video portero e intercomunicadores marca INTEC cuentan con un gran
prestigio a nivel internacional. Los sistemas actuales que ofrecen, cuentan con
alto nivel tecnológico integrando comunicación y seguridad. En sistemas de
intercomunicación inalámbrica cuentan con el INTEC DI-45, el cual dispone de
cuatro canales para comunicación entre cuatro centrales como máximo. Tiene el
inconveniente de que no posee auricular tipo manófono para los usuarios.
4
http://www.hme.com/proHistory.cfm
http://www.intec.com.mx/dimme2.html
5
23
1.1.2 Propuestas en Colombia
En Colombia los sistemas de intercomunicadores han tenido también un gran
avance.
Algunas empresas como Teleincom se especializan en el diseño, el
desarrollo, la investigación y la comercialización de soluciones electrónicas
efectivas en el campo de las comunicaciones para empresas, industrias y
conjuntos residenciales6.
Entre sus productos se destaca el intercomunicador
“Digital Teleincom Plus”7, el cual puede verse en la Figura 3 y cuyas principales
características son:
•
Discado directo a cualquier extensión
•
Dos modalidades de discado: estándar o rápido
•
Se puede instalar en interiores y exteriores
•
Fácil de operar y programar
•
Teclado alfanumérico
•
Pantalla de cristal líquido (LCD) de 2x16
•
Abre puertas principales de la edificación desde cualquier extensión por medio
del teclado numérico.
6
http://www.citofonos.com/
http://citofonos.com/index.php?option=com_content&view=article&id=56&Itemid=66
7
24
Figura 3. Intercomunicador Digital Teleincom Plus
Fuente: http://citofonos.com/images/1_peque_ok.gif
De otra parte, Imelcom es una empresa especializada en el suministro e
instalación de equipos de intercomunicación8, antenas y circuitos cerrados de
televisión. Entre sus servicios se destaca la instalación de citófonos fijos que
incluso cuentan con conexión a internet.
Otras empresas han desarrollado sistemas similares de comunicaciones y de
seguridad para edificios y conjuntos residenciales. Sin embargo, a pesar de que
estos servicios son óptimos y de buena calidad, aún no han logrado los suficientes
avances tecnológicos para transformar el actual sistema alámbrico en uno más
versátil. Empleando la tecnología inalámbrica se tendría una reducción en los
8
http://www.imelcom.com/
25
costos de implementación, dadas las ventajas que este tipo de equipos posee, con
lo cual se lograría un aumento en la demanda.
1.2
DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
El intercomunicador de voz ha tenido a través de sus diferentes etapas de
desarrollo, todo tipo de implementaciones a lo largo del siglo XX y lo que va
corrido del siglo
XXI. Este sistema permite la comunicación entre oficinas,
apartamentos,
incluso
e
casas
independientes.
Sin
embargo,
muchas
edificaciones no cuentan con los ductos necesarios que faciliten la instalación de
las redes telefónicas correspondientes, en algunos casos debido a lo antiguo de
estas y en otros, por falta de estandarización en las técnicas de construcción. Por
tal motivo, es obvio pensar que los intercomunicadores inalámbricos son una
solución viable en este tipo de situaciones y pueden ser utilizados para comunicar
diferentes dependencias en edificios empresariales, o para comunicar diferentes
unidades habitacionales en conjuntos residenciales.
¿Cuál sería la forma óptima de implementar un sistema intercomunicador de voz
utilizando transmisión inalámbrica, teniendo en cuenta variables como el alcance y
la eficiencia en la comunicación?
1.3
JUSTIFICACIÓN
En el dinámico campo de las telecomunicaciones actuales, impulsado por la
necesidad del hombre de lograr comunicaciones cada día más rápidas y eficientes
en todos los niveles de la sociedad y del mundo empresarial, el desarrollo de la
tecnología inalámbrica se ha convertido en un estándar que ofrece gran movilidad
y facilidad de acceso. Un intercomunicador inalámbrico permite, no solo una
comunicación full dúplex, sino también la posibilidad de instalación de éste en
26
cualquier lugar de una edificación que se encuentre dentro del radio de alcance de
la estación base. Estos nuevos sistemas de intercomunicación pueden por lo tanto
ser instalados más fácilmente y en forma más rápida, permitiendo también la
reubicación del mismo cuando se desee, ya que éste sistema no requiere de una
infraestructura cableada.
La tecnología inalámbrica ha entrado a formar parte muy importante de los
sistemas de comunicación de corta y larga distancia. Dichos elementos comienzan
a ser utilizados en los sistemas modernos de intercomunicación en los que antes
solo se utilizaba tecnología alambrada. Esto se debe a que han sido
implementados empleando tecnología digital, lo cual ofrece una mayor flexibilidad
en la codificación de las comunicaciones y permite el uso de modernas técnicas
de señalización.
En la actualidad se dispone de varios protocolos de comunicación y de diversos
estándares para la transmisión y recepción inalámbrica, lo cual facilita el desarrollo
de todo tipo de proyectos que involucran esta tecnología.
1.4
OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
1.4.1 Objetivo general
Diseñar y construir un prototipo de intercomunicador inalámbrico de voz con una
capacidad mínima de cuatro extensiones, para ser utilizado en estructuras
residenciales o corporativas
27
1.4.2 Objetivos específicos
•
Determinar cuál es la tecnología que se va a utilizar para implementar el
sistema inalámbrico de transmisión y recepción.
•
Seleccionar los dispositivos de transmisión y recepción más adecuados para el
sistema de comunicación.
•
Adaptar módulos de radiofrecuencia para transmisión y recepción.
•
Diseñar e implementar el control del intercomunicador, tanto para la estación
base como para las extensiones.
•
Realizar pruebas de funcionamiento del sistema.
•
Diseñar e implementar una interfaz de usuario que muestre diferentes tipos de
mensajes.
1.5
ALCANCES Y LIMITACIONES
El sistema de intercomunicación que se va a desarrollar contará con dos módulos
básicos de comunicación inalámbrica, uno se utilizará como estación base, el cual
irá instalado en la portería o recepción del conjunto residencial o edificio y el otro
se usará como extensión para ser ubicado en cada una de las casas,
apartamentos u oficinas del conjunto residencial o edificio.
El prototipo que será diseñado tendrá un alcance máximo de 150 metros y
consistirá en una red de cuatro extensiones
28
El sistema estará diseñado para trabajar en áreas no cercanas a centrales de
energía, industrias y demás lugares donde las ondas electromagnéticas
generadas por ciertos dispositivos o maquinas pueden causar interferencias en la
comunicación.
Otro factor importante es que el sistema de intercomunicadores no será apto para
trabajar en lugares donde existan muros de concreto o placas metálicas de gran
tamaño, ya que estas debilitan la señal y afectan la comunicación. La misma
restricción se debe tener en cuenta para instalaciones en recintos subterráneos.
El diseño finalizado no estará conectado a la Red Telefónica Pública Conmutada
(PSTN, Public Switched Telephone Network) a través de líneas troncales de
ningún tipo.
29
2. MARCO DE REFERENCIA
2.1
MARCO TEÓRICO-CONCEPTUAL
2.1.1 Intercomunicador
Un intercomunicador es un dispositivo de comunicaciones bidireccional (full
dúplex) que permite el dialogo entre dos interlocutores de forma interactiva a
través de una conexión. Este elemento hace que la comunicación entre dos o más
personas sea eficaz y sencilla de realizar. Muchos intercomunicadores son
ampliamente flexibles permitiendo conexiones con teléfonos fijos y celulares que
se enlazan empleando diversos sistemas de conmutación.
La mayoría de los edificios actuales que emplean intercomunicadores utilizan
redes cableadas para transmitir y recibir la comunicación desde la base hasta sus
extensiones y viceversa. En la mayoría de los casos estos intercomunicadores se
encuentran instalados en los muros de las edificaciones, utilizando las terminales
del cableado que forman parte de estas estructuras.
En algunos casos podemos encontrar también intercomunicadores inalámbricos
que generalmente tienen el inconveniente de poseer un limitado rango de
operación, debido al corto alcance de su transmisión y su recepción. Estos
intercomunicadores también poseen un bajo margen de autonomía ya que la
mayoría de estos funcionan con baterías recargables y sin la opción de utilizar un
adaptador que permita su funcionamiento conectándolos a la red eléctrica.
30
2.1.2 Comunicación inalámbrica
Una conexión inalámbrica se caracteriza por utilizar algún protocolo o sistema de
comunicación entre mínimo dos nodos, sin emplear ningún tipo de conductor físico
entre estos, tal como el cable metálico o la fibra óptica. Las señales se transportan
por medio de ondas electromagnéticas, las cuales viajan a través del aire (o, en
unos pocos casos, el agua) y por tanto, dichas señales están disponibles para
cualquiera que tenga un dispositivo capaz de aceptarlas.
2.1.2.1 Asignación de radio frecuencia
La sección del espectro electromagnético definido como comunicación de radio se
divide en ocho rangos denominados bandas, cada una de ellas regulada por las
autoridades gubernamentales. Estas bandas se clasifican desde frecuencia muy
baja (VLF: Very Low Frequency), hasta frecuencia extremadamente alta (EHF:
Extremely High Frequency). La Tabla 1 muestra las ocho bandas y sus acrónimos.
Tabla 1. Bandas de comunicación por radiofrecuencia.
Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Radiofrecuencia
31
2.1.2.2 Propagación de las ondas de radio
La transmisión de ondas de radio utiliza cinco tipos de propagación distintos:
superficie, troposférica, ionosférica, línea de visión y espacio.
•
Propagación en superficie. Ésta se encuentra entre 3 KHz y 300 KHz (VLF y
LF). En la propagación en superficie, las ondas de radio viajan a través de la
porción más baja de la atmosfera. La distancia alcanzada depende de la
cantidad de potencia en la señal: cuanto mayor es la potencia, mayor es la
distancia. La propagación en superficie también puede tener lugar en el agua
del mar.
•
Propagación troposférica. Esta se encuentra entre 300 KHz y 3 MHz (MF).
La propagación troposférica puede actuar de dos formas. Se puede dirigir la
señal en línea recta de antena a antena (visión directa) o se puede radiar con
un cierto ángulo hasta los niveles superiores de la troposfera donde se refleja
hacia la superficie de la Tierra. El primer método requiere que la situación del
receptor y el transmisor este dentro de distancias de visión, limitadas por la
curvatura de la Tierra con relación a la altura de las antenas. El segundo
método permite cubrir distancias mayores.
•
Propagación ionosférica. Se encuentra entre 3 MHz y 30 MHz (HF). En la
propagación ionosférica las ondas de radio de más alta frecuencia se radian
hacia la ionosfera donde se reflejan de nuevo hacia la Tierra. Este tipo de
transmisión permite cubrir grandes distancias con mayor potencia de salida.
•
Propagación por visión directa. Se encuentra entre 30 MHz y 3 GHz (VHF y
UHF). En este tipo de propagación se transmiten señales de muy alta
frecuencia directamente de antena a antena siguiendo una línea recta. Las
antenas deben ser direccionales y estar enfrentadas entre sí o estar
suficientemente juntas para que la señal no se vea afectada por la curvatura de
la Tierra.
32
•
Propagación por el espacio. Esta se encuentra entre 3 GHz y 300 GHz (SHF
Y EHF). La propagación por el espacio utiliza para la transmisión un satélite,
en lugar de la refracción atmosférica. Una señal radiada es recibida por un
satélite situado en órbita, el cual la reenvía de vuelta a la Tierra hacia el
receptor adecuado.
2.1.2.3 Propagación de señales específicas
El tipo de señal que se usa en la radio-transmisión depende de la frecuencia de la
señal. Cada frecuencia es adecuada para una capa específica de la atmósfera y
es más eficiente si se transmite y se envía con tecnologías adaptadas a la capa.
•
VLF. Las ondas de frecuencia muy baja (VLF: Very Low Frequency) se
propagan como ondas de superficie, habitualmente a través del aire, pero otras
veces a través del agua del mar. Las ondas VLF no sufren mucha atenuación
debido a la transmisión, pero son sensibles a los altos niveles de ruido
atmosférico (calor y electricidad), activo en bajas altitudes. Se usan
principalmente en radio-navegación de largo alcance y comunicación
submarina.
•
LF. Las ondas de baja frecuencia (LF: Low Frequency) también se propagan
como ondas de superficie. Las ondas LF se usan en radio-navegación de largo
alcance y para las radio balizas. La atenuación es mayor durante el día,
cuando se incrementa la absorción de las ondas por los obstáculos naturales.
•
MF. Las señales de frecuencia media (MF: Middle Frequency) se propagan en
la troposfera. Estas frecuencias son absorbidas por la ionosfera. Por tanto, la
distancia que pueden cubrir está limitada por el ángulo necesario para reflejar
la señal en la troposfera sin entrar en la ionosfera. La absorción se incrementa
durante el día, pero la mayoría de las transmisiones MF se efectúan con
antenas de visión directa para incrementar el control y evitar también los
33
problemas de absorción. Los usos de las transmisiones MF incluyen radio AM,
radio marítima, buscadores audio direccionales (RDF, Radio Direction Finder) y
frecuencias de emergencia.
•
HF. Las señales de frecuencia alta (HF: High Frequency) usan propagación
ionosférica. Estas señales se desplazan dentro de la ionosfera, donde las
diferencias de densidad las reflejan de nuevo hacia la Tierra. Los usos de
señales HF incluyen los radioaficionados (ham radio), la radio de banda
ciudadana
(CB:
Citizens’
Band),
las
emisiones
internacionales,
las
comunicaciones militares, la comunicación de larga distancia para aviones y
barcos, teléfonos, telégrafos y faxes.
•
VHF. La mayoría de ondas de frecuencia muy alta (VHF: Very High Frequency)
usan propagación de visión directa. Los usos del VHF incluyen la televisión
VHF, la radio FM, la radio AM de los aviones y la ayuda de navegación de los
aviones.
•
UHF. Las ondas de frecuencia ultra alta (UHF: Ultra High Frequency) siempre
se usan en propagación de visión directa. Los usos para el UHF incluyen la
televisión UHF, los teléfonos móviles, la radio celular, los buscadores (beepers)
y los enlaces de microondas.
•
SHF. Las ondas de frecuencia súper alta (SHF: Super High Frequency) se
transmiten usando principalmente propagación por visión directa. Y algo de
propagación espacial. Los usos del SHF incluyen las microondas terrestres,
satelitales y la comunicación radar.
•
EHF. Las ondas de frecuencia extremadamente alta (EHF: Extremely High
Frequency) usan la propagación espacial. Los usos para el EHF son
principalmente científicos e incluyen aplicaciones de radar, satélite y
comunicaciones experimentales.
34
2.1.3 Modulación
Se da el nombre de modulación al proceso mediante el cual se modifican las
señales de banda base (banda original de frecuencias), que generan las diferentes
fuentes de información. Esto se hace debido a que las señales de estas fuentes
por lo
general
no se
prestan
para
la transmisión directa fácilmente.
Fundamentalmente se hace variar algún parámetro de la señal portadora de alta
frecuencia en función de la señal de banda base.9
Existen fundamentalmente dos tipos de modulación: analógica y digital. La
modulación es analógica cuando se emplea como portadora una señal continua,
como es el caso de una sinusoidal de alta frecuencia. La modulación es digital si la
portadora es una señal discreta, como por ejemplo un tren de pulsos periódicos.
Esto implica una transformación digital por medio de la cual la señal de banda
base se cambia de un lenguaje simbólico a otro. Si esta se encuentra en función
continua del tiempo se debe muestrear y cuantificar para ser digitalizada. La
cadena de transmisión global se representa a continuación en la Figura 4.
9
http://www.profesores.frc.utn.edu.ar/electronica/ElectronicaAplicadaIII/Aplicada/Cap03ModulacionA
M1.pdf
35
Figura 4. Cadena de transmisión global.
Fuente:http://www.profesores.frc.utn.edu.ar/electronica/ElectronicaAplicadaII
I/Aplicada/Cap03ModulacionAM1.pdf
El objetivo de la transmisión es el de hacer llegar el mensaje emitido m(t) al
destinatario y(t) . En el caso ideal, se tiene:
En la práctica, esto no es así, y se tiene que:
Esto se debe a la presencia de ruido a causa de las perturbaciones que afectan el
canal de transmisión y a las imperfecciones de los procesos de modulación y
demodulación.
Cualquiera que sea el tipo de modulación, este siempre es reversible realizando el
proceso inverso o demodulación, para recuperar la información original en el
receptor.
36
2.1.4 Conversión de analógico a digital
En ocasiones es necesario digitalizar una señal analógica. Por ejemplo, para
enviar la voz humana a larga distancia, es necesario digitalizarla, puesto que las
señales digitales son menos vulnerables al ruido. Esto se denomina conversión de
analógico a digital.
2.1.4.1 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.
En PAM, la señales originales se muestrean en intervalos iguales de tiempo, como
se muestra en la Figura 5. PAM usa una técnica denominada muestrear y retener.
En un determinado momento, se lee el nivel de la señal y se mantiene
brevemente. El valor muestreado ocurre únicamente de forma instantánea en la
onda continua, pero se generaliza en el resultado PAM en un corto periodo de
tiempo, que se puede medir.
La razón de que PAM no sea útil para la transmisión de datos es que, aunque
traduce la onda original en una serie de pulsos, estos pulsos todavía no tienen
ninguna amplitud (son todavía una señal analógica, no digital). Para convertirlos
en una señal digital, es necesario codificarlos usando la modulación por
codificación en pulsos PCM.
37
Figura 5. PAM, modulación por ancho de pulso.
Fuente: Berouz Forouzan. Transmisión de datos y redes de comunicaciones.
Segunda edición. Página 97.
2.1.4.2 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. El resultado de la
cuantificación se representa en la Figura 6.
38
Figura 6. Señal PAM cuantificada.
Berouz Forouzan. Transmisión de datos y redes de comunicaciones.
Segunda edición. Página 98.
La PCM está realmente compuesta por cuatro procesos distintos: PAM,
cuantificación, cuantificación binaria y cuantificación digital a digital.
1. PAM: esta es la señal formada por la sucesión de muestras tomadas de la
señal analógica y que será cuantificada posteriormente.
2. Cuantificación: se asignan valores integrales dentro del rango específico de
instancias muestreadas, a la señal PAM.
3. Cuantificación binaria: como se muestra en la Figura 7, se utiliza un método
sencillo para asignar valores de signo y magnitud a las muestras cuantificadas.
Cada valor se traslada a su equivalente binario de siete bits. El octavo bit
indica el signo.
4. Cuantificación digital a digital: se transforman los dígitos binarios en una
señal digital (usando alguna técnica de codificación digital a digital), donde
finalmente los unos y ceros binarios representan valores altos y bajos
39
respectivamente en la señal PCM como se aprecia en la Figura 8. Esta es una
modulación código pulso de la señal original, codificada finalmente dentro de
una señal unipolar. Solamente se representan los tres primeros valores
muestreados.
Figura 7. Cuantificación usando signo y magnitud.
Berouz Forouzan. Transmisión de datos y redes de comunicaciones.
Segunda edición. Página 98.
Figura 8. PCM, modulación por codificación en pulsos.
Berouz Forouzan. Transmisión de datos y redes de comunicaciones.
Segunda edición. Página 98.
40
2.1.4.3 Frecuencia de muestreo aplicada en PAM y PCM
Usando PAM y PCM se puede reproducir exactamente la forma de onda original,
tomando un número infinito de muestras o se puede reproducir una generalización
aproximada de la dirección de cambio, tomando solamente tres muestras por ciclo.
Obviamente, la solución preferible es tomar un cierto número de muestras entre
los dos extremos.10
Es necesaria poca información en el dispositivo receptor para reconstruir una
señal analógica. De acuerdo con el teorema de Nyquist, para asegurar una
reproducción exacta de una señal analógica utilizando PAM, la tasa de muestreo
debe ser al menos dos veces mayor que la frecuencia más alta de la señal
original. Por ejemplo, si se quiere muestrear voz telefónica con una frecuencia
máxima de 4000 Hz, es necesario tomar 8000 muestras por segundo.
2.1.5 Conversión de digital a analógico
La conversión de digital a analógico es el proceso por el cual se cambia una de las
características de una señal de base analógica en información basada en una
señal digital (unos y ceros). Los datos digitales deben ser modulados sobre una
señal analógica que ha sido manipulada para aparecer como dos valores distintos
correspondientes al uno y al cero binarios.
Una onda seno se define por tres características: amplitud frecuencia y fase.
Cuando se cambia cualquiera de estas características, se crea una segunda
versión de esta onda. Si se dice entonces que la onda original representa el 1
10
Berouz Forouzan. Transmisión de datos y redes de comunicación. Segunda edición. Página 99.
41
binario, la variación puede representar el 0 binario, o viceversa. Por tanto,
cambiando el aspecto de una señal eléctrica sencilla, puede esta servir para
representar datos digitales. Cualquiera de las tres características puede alterarse
de esta forma, ofreciendo al menos tres mecanismos para modular datos digitales
en señales analógicas:
1. Modulación por desplazamiento de amplitud (ASK).
2. Modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK).
3. Modulación por desplazamiento de fase (PSK).
Además de los tres anteriores existe un cuarto mecanismo que combina cambios
en fase y amplitud y que se denomina modulación en cuadratura (QAM). QAM es
la más eficiente de las cuatro opciones y es el mecanismo que se usa en todos los
módems modernos.
Figura 9. Tipos de modulación de digital a analógico.
Fuente: Berouz Forouzan. Transmisión de datos y redes de comunicaciones.
Segunda edición. Página 102.
42
2.1.5.1 Modulación por desplazamiento de amplitud (ASK)
En la modulación por desplazamiento de amplitud (ASK, Amplitude Shift Keying),
la potencia de la señal portadora se cambia para representar el 1 o el 0 binario.
Tanto la frecuencia como la fase permanecen constantes mientras que la amplitud
cambia. Qué voltaje representa el 1 y qué voltaje representa el 0, se deja para los
diseñadores del sistema. La duración del bit es el periodo de tiempo que define un
bit. La amplitud pico de las señal durante cada duración del bit es constante y su
valor depende del bit (0 ó 1). La velocidad de transmisión usando ASK está
limitada por las características físicas del medio de transmisión. La figura 10
muestra una visión conceptual del ASK.
Figura 10. ASK, modulación por desplazamiento de amplitud.
Fuente: Berouz Forouzan. Transmisión de datos y redes de comunicaciones.
Segunda edición. Página 104.
43
Desafortunadamente, la transmisión ASK es altamente susceptible a la
interferencia por ruidos. El ruido se refiere a los voltajes no intencionales
introducidos dentro de una línea por fenómenos variados. Estos voltajes no
intencionales se combinan con la señal y cambian su amplitud. Un 0 se puede
cambiar a un 1 y un 1 a un 0 durante la transmisión. Se puede ver que el ruido es
especialmente problemático para ASK, que confía únicamente en la amplitud para
el reconocimiento. Habitualmente el ruido afecta la amplitud; por tanto, ASK es el
método de modulación más afectado por el ruido.
Una técnica muy usual de tipo ASK es la denominada on-off (OOK, On Off
Keying). En OOK uno de los valores de bit se representa por la inexistencia de
voltaje. La ventaja es una reducción en la cantidad de energía necesaria para
transmitir la información.
Cuando se descompone una señal modulada con ASK, se obtiene un espectro de
muchas frecuencias simples. Los requisitos de ancho de banda para ASK se
calculan usando la fórmula:
Donde
BW es el ancho de banda,
es la tasa de baudios, d es un factor
relacionado con la condición de línea (con un valor mínimo de 0).
44
Se puede concluir que el ancho de banda mínimo necesario para la transmisión es
igual a la tasa de baudios.
Aunque hay únicamente una frecuencia portadora, el proceso de modulación
produce una señal compleja que es una combinación de muchas señales
sencillas, cada una de las cuales tiene una frecuencia distinta.11
2.1.5.2 Modulación por desplazamiento de frecuencia FSK
En la modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK, Frequency Shift
Keying), la frecuencia de la señal portadora cambia para representar el 1 o el 0
binario. La frecuencia de la señal durante la duración del bit es constante y su
valor depende de un bit (0 ó 1); tanto la amplitud pico como la fase permanecen
constantes. La Figura 11 muestra una visión conceptual de FSK.12
11
12
Berouz Forouzan. Transmisión de datos y redes de comunicación. Segunda edición. Página 104.
Berouz Forouzan. Transmisión de datos y redes de comunicación. Segunda edición. Página 106.
45
Figura 11. FSK, modulación por desplazamiento de frecuencia.
Fuente: Berouz Forouzan. Transmisión de datos y redes de comunicaciones.
Segunda edición. Página 106.
FSK evita la mayor parte de los problemas de ruidos que posee ASK. Debido a
que el dispositivo receptor está buscando cambios específicos de frecuencia en un
cierto número de periodos, puede ignorar los picos de voltaje. Entre los factores
que limitan la modulación FSK se tiene en ancho del canal.
El ancho de banda necesario para la transmisión con FSK es igual a la tasa de
baudios de la señal más el desplazamiento de frecuencia (diferencia entre las dos
frecuencias de las portadoras):
46
2.1.5.3 Modulación por desplazamiento de fase (PSK)
En la modulación por desplazamiento de fase (PSK, Phase Shift Keying), la
portadora cambia para representar el 1 o el 0 binario. Tanto la amplitud de pico
como la frecuencia permanecen constantes mientras la fase cambia. Por ejemplo,
si se comienza con una fase de 0 grados para representar un 0 binario, se puede
cambiar la fase a 180 grados para enviar un 1 binario. La fase de la señal durante
la duración de cada bit es constante y su valor depende del bit (0 o 1). La Figura
12 da una visión conceptual del PSK.
Figura 12. PSK, modulación por desplazamiento de fase.
Fuente: Berouz Forouzan. Transmisión de datos y redes de comunicaciones.
Segunda edición. Página 108.
El método anterior se denomina a menudo 2-PSK, o PSK binario, debido a que se
usan dos fases distintas (0 y 180 grados). La Figura 13 aclara este aspecto
47
mostrando la relación entre la fase y el valor binario. Un segundo diagrama
muestra, denominado constelación o diagrama fase-estado, muestra la misma
relación ilustrando solamente las fases.
Figura 13. Constelación PSK.
Fuente: Berouz Forouzan. Transmisión de datos y redes de comunicaciones.
Segunda edición. Página 108.
PSK no es susceptible a la degradación por ruido que afecta a ASK ni a las
limitaciones de banda de FSK. Esto significa que pequeñas variaciones en la señal
se pueden detectar fiablemente en el receptor. Además, en lugar de utilizar
solamente dos variaciones de una señal, cada una representando un bit, se
pueden utilizar cuatro variaciones y dejar que cada desplazamiento de fase
represente dos bits, Figura 14.
48
Figura 14. 4-PSK
Fuente: Berouz Forouzan. Transmisión de datos y redes de comunicaciones.
Segunda edición. Página 108.
El diagrama de constelación para la señal de la Figura 14 se muestra en la Figura
15. Una fase de 0 grados representa ahora 00, 90 grados representa 01, 180
grados representa 10 y 270 grados representa 11. Esta técnica se denomina 4PSK o Q-PSK. El par de bits representados por cada fase se denomina dibit.
Usando 4-PSK se puede transmitir datos dos veces más rápido que con 2-PSK.
Se puede extender esta idea hasta 8-PSK. En lugar de 90 grados se puede variar
la señal en desplazamiento de 45 grados. Con ocho fases distintas, cada
desplazamiento puede representar 3 bits (un tribit) al mismo tiempo.
49
Figura 15. Características del 4-PSK.
Fuente: Berouz Forouzan. Transmisión de datos y redes de comunicaciones.
Segunda edición. Página 109.
La Figura 16 muestra la relación entre los desplazamientos de fase y los tribits que
cada uno representa; 8-PSK es tres veces más rápido que 2-PSK.
El ancho de banda mínimo necesario para transmitir PSK es el mismo que se
necesita para transmitir ASK. La máxima tasa de bits en transmisión PSK es, sin
embargo, potencialmente mucho mayor que la de ASK. Por tanto, mientras que la
máxima tasa de baudios de ASK y PSK son las mismas para un ancho de banda
determinado, la tasa de bits con PSK, usando el mismo ancho de banda, puede
ser dos o más veces mayor.
50
Figura 16. Características del 8-PSK.
Fuente: Berouz Forouzan. Transmisión de datos y redes de comunicaciones.
Segunda edición. Página 110.
2.1.6 Conversión de analógico a analógico
La modulación analógica a analógico se puede conseguir de tres formas:
1. Modulación en amplitud (AM).
2. Modulación en frecuencia (FM).
3. Modulación en fase (PM).
51
Figura 17. Tipos de modulación de analógico a analógico.
Fuente: Berouz Forouzan. Transmisión de datos y redes de comunicaciones.
Segunda edición. Página 115.
2.1.6.1 Modulación en amplitud (AM)
En transmisión AM (Amplitude Modulation), la señal portadora se modula de forma
que su amplitud varíe con los cambios de amplitud de la señal a enviar. La
frecuencia y la fase de la portadora son siempre las mismas; solamente la
amplitud cambia para seguir las variaciones en la información. La Figura 18
muestra cómo funciona este concepto. La señal modulada se convierte en una
envoltura de la portadora.
52
Figura 18. Modulación en amplitud.
Fuente: http://arieldx.tripod.com/manualdx/bandas/modulacion.htm
Las frecuencias que son lo suficientemente altas para radiarse de manera eficiente
por una antena y propagarse por el espacio libre se llaman comúnmente
radiofrecuencias o simplemente RF. Con la modulación de amplitud, la información
se imprime sobre la portadora en la forma de cambios de amplitud.
El ancho de banda de una señal AM es igual al ancho de banda de la señal
moduladora y cubre un rango centrado alrededor de la frecuencia de la portadora.
El ancho de banda de una señal de audio (voz y música es habitualmente 5 kHz,
por tanto, una estación de radio AM necesita un ancho de banda mínimo de 10
kHz.
La modulación de amplitud es una forma de modulación relativamente barata y de
baja calidad de transmisión, que se utiliza en la radiodifusión de señales de audio
y vídeo. La banda de radiodifusión comercial AM abarca desde 535 hasta 1605
kHz. Sin embargo, la frecuencia de la portadora de cada estación debe estar
separada de las de sus lados por al menos 10 kHz (un ancho de banda AM) para
53
evitar interferencias. Por ejemplo, si una estación usa una frecuencia portadora de
1100 kHz, la frecuencia de la portadora de la siguiente estación no puede ser
menor de 1110 kHz.
El ancho de banda total (
) necesario para AM se puede determinar a partir del
ancho de banda de una señal de audio
:
La radiodifusión comercial de televisión se divide en tres bandas (dos de VHF y
una de UHF).Los canales de la banda baja de VHF son entre 2 y 6 (54 a 88 MHz),
los canales de banda alta de VHF son entre 7 y 13 (174 a 216 MHz) y los canales
de UHF son entre 14 y 83 (470 a 890 MHz). La modulación de amplitud también
se usa para las comunicaciones de radio móvil de dos sentidos tal como una radio
de banda civil (CB) (26.965 a 27.405 MHz) o los aviones con los aeropuertos (118
a 136 MHz).
Un modulador de AM es un aparato no lineal con dos señales de entrada: a) una
señal portadora de amplitud constante y de frecuencia única y b) la señal con la
información. La información modula la portadora y puede ser una forma de onda
de frecuencia simple o compleja compuesta de muchas frecuencias que fueron
originadas de una o más fuentes. Debido a que la información actúa sobre la
portadora, se le llama señal modulante. La resultante se llama onda modulada o
señal modulada.
54
2.1.6.2 Modulación FM
En la transmisión FM (Frequency Modulation), se modula la frecuencia de la señal
portadora para seguir los cambios en los niveles de voltaje (amplitud) de la señal
modulada. La amplitud pico y la fase de la señal portadora permanecen
constantes, pero a medida que la amplitud de la señal de información cambia, la
frecuencia de la portadora cambia de forma correspondiente. La Figura 19
muestra las relaciones de la señal portadora, la señal de modulación y la señal
modulada FM resultante.13
La Modulación de frecuencia FM es el proceso de codificar información, la cual
puede estar tanto en forma digital como analógica, en una onda portadora
mediante la variación de su frecuencia instantánea de acuerdo con la señal de
entrada. El uso más típico de este tipo de modulación es la radiodifusión en FM.
La modulación de frecuencia requiere un ancho de banda mayor que la
modulación de amplitud para una señal modulante equivalente, sin embargo este
hecho hace a la señal modulada en frecuencia más resistente a las interferencias.
La modulación de frecuencia también es más robusta ante fenómenos de
desvanecimiento de amplitud de la señal recibida. Es por ello que la FM fue
elegida como la norma de modulación para las transmisiones radiofónicas de alta
fidelidad.
13
Berouz Forouzan. Transmisión de datos y redes de comunicación. Segunda edición. Página 117.
55
Figura 19. Modulación en frecuencia.
Fuente:
http://itscelectronica.foroactivo.com/introduccion-a-las-
telecomunicaciones-f8/modulacion-fm-t118.htm
El ancho de banda de una señal FM es igual a diez veces el ancho de banda de la
señal modulada y al igual que 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
:
56
El ancho de banda de una señal de audio (voz y música) en estéreo es casi 15
kHz. Cada estación de radio FM necesita, por tanto, un ancho de banda mínimo
de 150 kHz.
Las estaciones FM pueden tener frecuencias portadoras en una banda entre los
88 y los 108 MHZ. Las estaciones deben estar separadas por al menos 200 kHz
para evitar que sus anchos de banda se solapen.
Una señal modulada en frecuencia puede ser también usada para transportar una
señal estereofónica. Sin embargo, esto se hace mediante multiplexación de los
canales izquierdo y derecho de la señal estéreo antes del proceso de modulación
de frecuencia.
De forma inversa en el receptor se lleva a cabo la demultiplexación después de la
demodulación de la señal FM. Por lo tanto el proceso estereofónico es totalmente
ajeno a la modulación en frecuencia propiamente dicha.
2.1.6.3 Modulación en fase (PM)
Debido a los requisitos en hardware más sencillos, la modulación en fase (PM,
Fase 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
57
correspondiente. Los análisis y el resultado final (señal modulada) son similares a
los de la modulación en frecuencia.14
2.1.7 Codificación
La codificación es la representación de la información digital mediante una señal
digital. Por ejemplo, cuando se transmiten datos desde un computador hacia una
impresora, tanto los datos originales como los datos transmitidos son digitales. A
esto se le llama también codificación digital a digital. En esta codificación los unos
y ceros binarios generados por un computador se traducen en una secuencia de
pulsos de voltaje que se pueden propagar por un cable.
Figura 20. Codificación.
Fuente: Berouz Forouzan. Transmisión de datos y redes de comunicaciones.
Segunda edición. Página 86.
14
Berouz Forouzan. Transmisión de datos y redes de comunicación. Segunda edición. Página 119.
58
Los mecanismos usados para la codificación digital a digital se pueden agrupar en
tres categorías:
1. Unipolar
2. Polar
3. Bipolar
La codificación unipolar es sencilla ya que solo usa una única técnica. La
codificación polar tiene tres subcategorías, NRZ, RZ y bifásica, dos de las cuales
tienen múltiples variantes. La codificación bipolar tiene tres variaciones, AMI,
B8ZS y HDB3.
2.1.7.1 Unipolar
La codificación unipolar es muy sencilla. Aunque actualmente está casi obsoleta,
su sencillez proporciona una forma fácil de presentarlos conceptos usados con los
sistemas de codificación más complejos y permite examinar los tipos de
problemas que se deben resolver en los sistemas de transmisión digital.
El sistema de transmisión digital funciona enviando pulsos de voltaje por un medio
de enlace, habitualmente un cable o un hilo. En la mayoría de los tipos de
codificación, hay un nivel de voltaje para el cero binario y otro nivel de voltaje para
el uno. La polaridad del impulso indica si es positivo o negativo. La codificación
unipolar se denomina así porque usa únicamente una polaridad. Esta polaridad se
asigna a uno de los dos estados binarios, habitualmente el uno. El otro estado,
habitualmente el cero, se represente por el voltaje cero.
59
La Figura 21 muestra la idea de la codificación unipolar. En este ejemplo, los unos
se codifican con un valor positivo y los ceros con un valor cero. Además de ser
muy sencilla, este tipo de implementación también resulta económica.
Figura 21. Codificación unipolar.
Fuente: Berouz Forouzan. Transmisión de datos y redes de comunicaciones.
Segunda edición. Página 87.
2.1.8 Multiplexación
La multiplexación se refiere a la habilidad para transmitir datos que provienen de
diversos pares de aparatos (transmisores y receptores) denominados canales de
baja velocidad en un medio físico único (denominado canal de alta velocidad); es
el conjunto de técnicas que permite la transmisión simultánea de múltiples señales
a través de un único enlace de datos.
Las compañías telefónicas han desarrollado esquemas elaborados para
multiplexar muchas conversaciones en un solo troncal físico. Estos esquemas de
multiplexación se pueden dividir en tres categorías:
60
1. Multiplexación
por
división
de
frecuencia
(FDM,
Frequency
Division
Multiplexing).
2. Multiplexación por división en el tiempo (TDM, Time Division Multiplexing).
3. Multiplexación por división de onda (WDM, Wave Division Multiplexing)
Figura 22. Clases de multiplexación.
Fuente: Berouz Forouzan. Transmisión de datos y redes de comunicaciones.
Segunda edición. Página 224.
2.1.8.1 Multiplexación por división de frecuencia
La multiplexación 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.
Estas señales moduladas se combinan en una única señal compuesta que será
transportada por el enlace. Las frecuencias portadoras están separadas por un
ancho de banda suficiente como para acomodar la señal modulada. Estos rangos
de ancho de banda son los canales a través de los cuales viajan las distintas
señales. Los canales deben estar separados por tiras de anchos de banda sin
61
usar (bandas de guarda) para prevenir que las señales se solapen. Las
frecuencias portadoras no deben interferir con las frecuencias de datos originales.
Una falla en el cumplimiento de cualquiera de estas puede dar como resultado la
no recuperación de las señales originales.
En la Figura 23 se puede observar que el camino de la transmisión se divide en
tres partes, cada uno de ellos representando un canal diferente. Cada canal lleva
una transmisión independiente. Aunque la Figura 23 muestra el camino como si
tuviera una división espacial en canales separados, las divisiones reales de
canales se consiguen mediante la frecuencia, no mediante la separación espacial.
Figura 23. FDM, multiplexación por división de frecuencia.
Fuente: Berouz Forouzan. Transmisión de datos y redes de comunicaciones.
Segunda edición. Página 225.
La Figura 24 es una ilustración conceptual en el dominio del tiempo del proceso de
multiplexación. La FDM es un proceso analógico y se muestra en la figura usando
teléfonos como dispositivos de entrada y salida. Cada teléfono genera una señal
con un rango de frecuencia similar. Dentro del multiplexor, estas señales similares
62
se modulan sobre distintas frecuencias portadoras (
). Las señales
moduladas resultantes se combinan después en una única señal compuesta que
se envía sobre un enlace que tiene ancho de banda suficiente para acomodarlas.
Figura 24. FDM, proceso de multiplexación, dominio del tiempo.
Fuente: Berouz Forouzan. Transmisión de datos y redes de comunicaciones.
Segunda edición. Página 226.
La Figura 25 es una ilustración en el dominio de la frecuencia del proceso de
multiplexación. Las tres frecuencias portadoras existen al mismo tiempo en el
ancho de banda. En FDM, las señales se modulan sobre frecuencias portadoras
distintas (
) usando modulación AM o FM. En esta ilustración, el ancho de
banda de la señal compuestas resultante es más de tres veces el ancho de banda
de cada señal de entrada: tres veces el ancho de banda para acomodarlos
63
canales necesarios, más el ancho de banda extra para permitir las bandas de
guarda necesarias.
Figura 25. FDM, proceso de multiplexación, dominio de frecuencia.
Fuente: Berouz Forouzan. Transmisión de datos y redes de comunicaciones.
Segunda edición. Página 226.
2.1.8.2 Multiplexación por división en el tiempo (TDM)
La multiplexación por división en el 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. Múltiples transmisores pueden ocupar un único enlace subdividiendo y
entrelazando las porciones.
La Figura 26 muestra una visión conceptual de la TDM. Se usa el mismo enlace
que en la FDM pero aquí el enlace se secciona en el tiempo y no en la frecuencia.
64
Las porciones de las señales 1, 2, 3 y 4 ocupan un enlace secuencialmente. La
TDM se puede implementar de dos formas: TDM síncrona y TDM asíncrona.
Figura 26. TDM, multiplexación por división en el tiempo.
Fuente: Berouz Forouzan. Transmisión de datos y redes de comunicaciones.
Segunda edición. Página 229.
TDM síncrona. Aquí el término síncrona significa que el multiplexor asigna
exactamente la misma ranura de tiempo a cada dispositivo, tanto si el dispositivo
tiene algo que transmitir como si no. La ranura se usa solamente para el
dispositivo asignado y no se puede usar para otro. Cada vez que le toca su tiempo
asignado, el dispositivo tiene oportunidad de enviar una porción de sus datos. Si el
dispositivo es incapaz de transmitir o no tiene datos para enviar, su ranura de
tiempo permanece vacía.
Como se puede ver en la Figura 27 el multiplexor entrelaza los distintos mensajes
antes de ponerlos en el enlace.
65
En el receptor, el demultiplexor descompone el mensaje extrayendo cada carácter
por turno. A medida que se extrae un carácter, este se pasa al dispositivo
adecuado.
Figura 27. TDM síncrona, proceso de multiplexación.
Fuente: Berouz Forouzan. Transmisión de datos y redes de comunicaciones.
Segunda edición. Página 230.
TDM asíncrona. La TDM síncrona no garantiza que se pueda usar la capacidad
completa del enlace. De hecho, es más probable que solamente se pueda usar
una porción de las ranuras de tiempo en un instante determinado. Debido a que
las ranuras de tiempo están pre asignadas y son fijas, cada vez que un dispositivo
conectado no está transmitiendo su ranura de tiempo correspondiente está vacía y
esa capacidad de enlace está siendo desaprovechada. La multiplexación
asíncrona
por
división
de
tiempo
se
desaprovechamiento.
66
ha
diseñado
para
evitar
este
La TDM asíncrona soporta el mismo número de líneas de entrada que la TDM
síncrona con una capacidad de enlace más pequeña. Por otro lado, dado el mismo
enlace, la TDM asíncrona puede soportar más dispositivos que la TDM síncrona.
En lugar de ser pre asignada, cada ranura está disponible para cualquier
dispositivo de entrada conectado a las líneas que tengan datos por enviar. El
multiplexor monitorea las líneas de entrada, acepta porciones de datos hasta que
una trama está llena y después envía la trama a través del enlace. Si no hay datos
suficientes para rellenar todas las ranuras de una trama, la trama se transmite
parcialmente llena.
Figura 28. TDM asíncrona.
Fuente: Berouz Forouzan. Transmisión de datos y redes de comunicaciones.
Segunda edición. Página 230.
67
2.1.9 Conmutación
Una red conmutada consta de una serie de nodos interconectados, denominados
conmutadores. Los conmutadores son dispositivos hardware o software capaces
de crear conexiones temporales entre dos o más dispositivos conectados al
conmutador. En una red conmutada, algunos de estos nodos se conectan a
dispositivos de comunicación. El resto se utiliza sólo para realizar el
encaminamiento.
Tradicionalmente tres han sido los métodos de comunicación más importantes:
1. Conmutación de circuitos.
2. Conmutación de paquetes.
3. Conmutación de mensajes.
Los dos primeros se utilizan de forma general en las comunicaciones de hoy día.
El tercero ya no se utiliza tan habitualmente en comunicaciones pero todavía tiene
aplicaciones en redes.
Figura 29. Métodos de conmutación.
Fuente: Berouz Forouzan. Transmisión de datos y redes de comunicaciones.
Segunda edición. Página 414.
68
La conmutación de circuitos crea una red directa entre dos dispositivos. Un
conmutador de circuitos es un dispositivo con n entradas y m salidas que crea una
conexión temporal entre un enlace de entrada y un enlace de salida, Figura 30. El
número de entradas no tiene que coincidir con el de salidas.
Figura 30. Esquema de un conmutador de circuitos.
Fuente: Berouz Forouzan. Transmisión de datos y redes de comunicaciones.
Segunda edición. Página 415.
Un conmutador plegado n-por-n puede conectar n líneas en modo full-dúplex. Por
ejemplo, puede conectar n teléfonos de forma que cada teléfono puede conectarse
con cada uno de los otros teléfonos (ver Figura 31).
69
Figura 31. Esquema de un conmutador plegado.
Fuente: Berouz Forouzan. Transmisión de datos y redes de comunicaciones.
Segunda edición. Página 415.
La conmutación de circuitos empleada hoy día puede utilizar una de las siguientes
tecnologías: conmutación por división en el espacio o conmutación por división en
el tiempo.
2.1.9.1 Conmutación por división en el espacio.
En la conmutación por división en el espacio, los caminos en el circuito están
separados unos de otros espacialmente. Esta tecnología fue diseñada inicialmente
para su uso en redes analógicas pero se usa actualmente también en redes
digitales. La conmutación ha evolucionado a través de muchos diseños entre los
que se cuentan los conmutadores de barras cruzadas y los conmutadores
multietapa.
Un conmutador de barras cruzadas conecta n entradas con m salidas en una
rejilla, utilizando micro conmutadores electrónicos (transistores) en cada punto de
70
cruce (ver Figura 32). La principal limitación de este diseño es el número de
puntos de cruce que se requieren; la conexión de n entradas con m salidas
utilizando un conmutador de barras cruzadas requiere n x m puntos de cruce.
Figura 32. Conmutador de barras cruzadas.
Fuente: Berouz Forouzan. Transmisión de datos y redes de comunicaciones.
Segunda edición. Página 416.
La solución a las limitaciones del conmutador de barras cruzadas es el uso de
conmutadores multietapa, que combinan los de barras cruzadas en varias etapas.
En la conmutación multietapa, los dispositivos se conectan a los conmutadores,
que a su vez se conectan a un grupo de otros conmutadores (ver Figura 33).
El diseño de un conmutador multietapa depende del número de etapas y del
número de conmutadores necesarios (o deseados) en cada etapa. Normalmente,
las etapas centrales tienen menos conmutadores que las primeras y últimas
etapas.
71
Figura 33. Conmutador multietapa.
Fuente: http://www.dte.us.es/personal/mcromero/docs/arc1/tema1-arc1.pdf
2.1.10 Señalización telefónica
En el contexto de telefonía, la señalización significa el paso de información e
instrucciones de un punto a otro para establecer y supervisar una llamada
telefónica, lo que permite que los diferentes elementos de la red se comuniquen
entre sí.
Tradicionalmente, la señalización ha sido dividida en dos tipos (Figura 34):
1. Señalización de abonado entre el abonado y la central.
2. Señalización entre centrales.
72
Figura 34. Señalización, esquema básico.
2.1.10.1
Señalización entre abonado y central
Existen dos tipos de señalización entre abonado y central, analógico y digital
(Figura 34). Se denomina señalización de abonado analógico entre un teléfono
normal y la central, y señalización de abonado digital entre un abonado de la red
digital de servicios integrados (RDSI) y la central.
2.1.10.2
Señalización de abonado analógico
La señalización de abonado analógico con la central se inicia cuando el abonado
A descuelga, lo que ocasiona que se cierre el circuito de la línea local, habilitando
a la central para que detecte el intento de la llamada cuando circula la corriente
DC en la línea (Figura 35).
73
Después de prepararse la central, envía un tono de marcar al abonado A, quien
puede ahora continuar con el procedimiento de marcación del número B.
Figura 35. Señalización de abonado analógico.
Fuente: Roberto Espinosa Espinosa. Redes telefónicas. Primera edición.
Página 51.
En este punto, dependiendo si el teléfono es de disco o de teclado, enviará la
información en forma de pulso decádicos o señales DTMF. Las señales son
recibidas en la central y traducidas a señales internas para su procesamiento.
Después de establecer la conexión hasta el abonado B, la central envía un tono de
abonado B libre al abonado A y la señal de timbre al abonado B, por supuesto, si
se encuentra libre. Si B responde, las dos partes inician la comunicación. Otro tipo
74
de información puede enviársele al abonado A como tonos de ocupado,
congestión o anuncios.
Los tonos que suministran alguna información al abonado y son enviados desde la
central, tienen una frecuencia típica de 425 Hz, y dependiendo de la secuencia
con que se emiten tienen diferentes significados.
•
Tono de marcar. Es un tono continuo, que envía la central para que inicie la
marcación del número. Si no se marca dentro de unos 15 segundos , el tono se
reemplaza por el de ocupado.
•
Tono de abonado B libre. Es un tono discontinuo, con periodos de tono de 1
segundo intercalados con silencios largos de 4,5 segundos.
•
Tono de ocupado. Indicación de abonado B ocupado. Este se compone de
periodos cortos de tonos de duración de 0.25 segundos y silencios también de
0.25 segundos. Su fin es que sea un poco molesto para que el suscriptor
(usuario) cuelgue rápidamente.
•
Tono de congestión. Tono de 0.1 segundos, silencio de 0.2 segundos, tono
de 0.3 segundos, silencio de 0.2 segundos, tono de 0.6 segundos, silencio de
0.2 segundos y así sucesivamente.
Aunque estos son los principales, dependiendo de la red existen otros tonos que
se combinan de diferentes formas en frecuencia y cadencias, para producir
significados diferentes.
La corriente de timbre enviada por la central al abonado B con el propósito de
avisarle que tiene una llamada, es una señal de 25 Hz, y de 90 voltios efectivos en
circuito abierto. El ritmo de cadencia es el mismo del tono de abonado B libre, es
decir, 1 segundo separado por silencios de 4 segundos.
75
Una señal que incrementa su uso es un rápido cuelgue-descuelgue flash, para
iniciar un servicio suplementario de llamadas u otros servicios.
También es notorio el mayor uso de las señales DTMF para más aplicaciones,
como acceder a un computador para consultar alguna información, o enviar
información adicional requerida por un nodo de la red inteligente para poder
prestar un servicio.
2.1.10.3
Señalización entre centrales
La señalización entre centrales se divide en señalización por canal asociado y en
señalización por canal común, ver Figura 34.
Señalización por canal asociado entre centrales
La señalización canal asociado todavía se encuentra en uso en gran extensión en
las redes del mundo y de Colombia, no solamente entre centrales análogas y
digitales, sino aún entre centrales digitales que todavía no han sido actualizadas
con señalización por canal común.
La característica fundamental de la señalización canal asociado, es que la voz y la
señalización son transferidas por la misma ruta a través de la red.
La señalización de canal asociado se divide en señalización de línea y
señalización de registro. La división refleja funciones separadas de señalización
dentro de la central durante diferentes fases de la llamada, pero complementarias.
76
Señalización de línea. Maneja el intercambio de información que muestra el
estado de las troncales entre las centrales, y pueden ser enviadas durante
cualquier momento de la llamada, aun cuando se esté en conversación.
Señalización de registro. Maneja el intercambio de la información de
enrutamiento como el envío de abonado B, categoría de abonado A, estado del
abonado B, número del abonado A, contiene información específica de una
llamada y son usadas durante cortos periodos de tiempo cuando la llamada se
establece.
Descripción de las señales:
•
Señal de ocupación (Toma). Es una señal transmitida hacia delante. Esta
señal se emite al comienzo de una llamada, y prepara al equipo en el extremo
de llegada para la recepción y encaminamiento de la información numérica.
•
Señal de contestación (Respuesta). Consiste es una señal emitida hacia
atrás, para indicar que el abonado ha contestado. El tráfico semiautomático
tiene la misión de hacer funcionar la supervisión, y en el tráfico automático es
usada para dar comienzo a la tarificación del abonado que llama.
•
Señal de reposición (Desconexión hacia atrás). Señal de línea transmitida
hacia la central de salida para indicar que el abonado B llamado ha colgado.
Consiste en una señal transmitida hacia atrás el cual, en el tráfico automático,
tiene como misión liberar la conexión e interrumpir la tarificación cuando el
abonado que ha llamado no ha colgado su manófono entre los 30 a 150
segundos que siguen a la identificación de ésta señal en la troncal de salida. Al
expirar este tiempo se inicia un ciclo de “desconexión hacia delante”.
•
Desconexión forzada. Cuando la troncal de la central de salida queda bajo la
condición de “supervisión en el tiempo” debido a que no fue recibida la señal
77
de desbloqueo, esta troncal origina en forma secuencial un proceso de
“desconexión forzada” hasta alcanzar la liberación del circuito.
•
Señal de fin (Desconexión hacia delante). Consiste en una señal emitida
hacia delante cuando la parte A que origina una comunicación cuelga o al
término del período de supervisión de tiempo después de recibida la señal de
desconexión forzada.
•
Señal de bloqueo. Utilizada exclusivamente para fines de mantenimiento.
Consiste en una señal emitida hacia atrás por medio de la cual se provoca la
ocupación (bloqueo) del circuito y se impide que pueda ser objeto subsecuente
de una toma.
•
Señal de desbloqueo (Liberación de guarda). Señal transmitida hacia atrás
en respuesta a una señal de “desconexión hacia delante” para indicar que ésta
última señal ha dado lugar efectivamente al retorno de los equipos a la
condición de reposo.
Sistemas de señalización de línea. Son un conjunto de reglas que especifican
no solamente las señales usadas y procedimientos relacionados, sino también, la
secuencia, temporización y requerimientos de transmisión.
En la Figura 36 se ilustra un caso típico de secuencia de señalización de línea en
el método enlace por enlace, en el que las señales se repiten en cada punto de
conmutación.
Al comenzar el proceso de conmutación, se envía una señal de toma hacia la
central siguiente donde se preparan los dispositivos que recibirán las
subsiguientes señales.
78
Transfiere las señales de estado del abonado: señal de respuesta si B descuelga,
para dar inicio a la tarificación, o la señal de desconexión hacia atrás si B cuelga,
para dar comienzo al temporizador de supervisión.
Para liberar la conexión, se envía la señal de desconexión hacia delante cuando A
cuelga, después de vencerse el temporizador o cuando existe una señal de
registro ocupado o congestión.
Figura 36. Señalización de línea.
Fuente: Roberto Espinosa Espinosa. Redes telefónicas. Primera edición.
Página 55.
Para indicar que la desconexión se ha completado, se envía la señal de liberación
de guarda.
79
Con relación a la señalización de línea utilizada en un medio netamente análogo,
cada vez con menos uso, se deben diferenciar los dos siguientes casos
específicos:
1. Con circuitos metálicos
2. Con circuitos no metálicos
Con circuitos metálicos. Para circuitos galvánicos se utilizan 2 o 3 alambres y
señalización por corriente continua mediante cualquiera de los siguientes
métodos:
•
Bucle de alta y baja resistencia.
•
Interrupción de bucle.
•
Bucle momentáneo.
•
Corriente o no corriente por un hilo.
•
Supervisión de polaridad por un hilo.
Este tipo de señalización se emplea especialmente para la interconexión entre
centrales locales o entre una central local interurbana dentro de la misma área
urbana.
Con circuitos no metálicos. Para circuitos que se interconectan mediante
equipos de onda portadora, se utiliza una señalización de línea del tipo discontinuo
con dos duraciones de señal transmitida fuera de banda (3.825 Hz) en los
sistemas de transmisión, denominada señalización E&M.
Estas señales de línea están formadas por elementos cortos y elementos largos,
con excepción de la señal de bloqueo que es continua.
80
Para los circuitos digitales que utilizan enlaces a 2,048 Mb/s, se utiliza el sistema
de señalización de línea versión digital, que puede presentar dos tipos de
codificación de acuerdo con el ambiente en el cual se interconecten las
respectivas centrales:
1. Señalización de línea versión digital R2 del CCITT.
2. Señalización de línea E&M pulsante digital.
Señalización de línea versión digital R2. Este tipo de señalización responde a
las exigencias de interconexión de una central telefónica digital, con salida de
troncales digitales y utilización de enlaces de transmisión.
La versión digital del sistema de señalización R2 de línea utiliza dos bits de
señalización por circuito telefónico en cada sentido de transmisión.
La versión digital del sistema de señalización R2 de línea utiliza dos bits de
señalización por cada circuito telefónico en cada sentido de transmisión. Con
respecto al establecimiento de la comunicación, estos bits de señalización se
denominan af y bf en el sentido hacia delante, y ab y bb en el sentido hacia atrás.
Señalización de línea E&M pulsante digital. Para responder a las exigencias
del proceso de transición de la red analógica a la red digital, se ha definido la
utilización del sistema de señalización E&M pulsante digital para interconectar
una central telefónica digital con salidas por troncales digitales y conexión a través
de enlaces MIC con otra central con troncales análogas.
En este caso, dado que la troncal análoga solamente pueden manejar 2 hilos
(E&M) para señalización, se hace uso de bits af (M) y ab (E).
81
Sistemas de señalización de Registro. La señalización de registro es la
encargada de la transferencia de información para controlar el establecimiento de
la conexión hasta su lugar destino.
Las señales de registro tienen lugar antes del establecimiento de la conversación y
por lo tanto utilizan el canal del habla para su intercambio.
Las señales enviadas entre emisores y receptores de señalización controlada por
registros propiamente dichos.
En las redes colombianas se emplea señalización de registro de extremo a
extremo, que corresponde a aquella en la cual la información se pasa de un
punto de conmutación de origen a otro de destino (no necesariamente adyacente),
intercambiando con los diversos puntos intermedios de conmutación (centros de
tránsito) solamente información necesaria para el enrutamiento de la llamada.
En los casos en que se presentan condiciones especiales de transmisión, como
los enlaces domésticos por satélite, se establecerá una conexión extremo a
extremo entre el registrador de salida y el registrador de llegada asociado a cada
estación satelital. Como el formato de señalización multifrecuencial de registro
para el enlace satelital es diferente para los enlaces terrestres, la separación se
hará en la central situada al lado del enlace terrestre para facilitar la transferencia
de información y, en algunos, el proceso de tarificación centralizada.
2.1.10.4
Señalización por canal común
En este tipo de señalización, se hace a través de un canal dedicado que transfiere
la información de señalización relacionada con numerosos circuitos de la
aplicación. La capacidad de señalización es asignada dinámicamente, según se
82
requiera. Los nodos A y B están conectados por numerosos circuitos de una
aplicación representados por líneas continuas, y toda la señalización relacionada
con estos circuitos se transfiere entre los nodos usando el camino común de
señalización, dado por las líneas punteadas.
Figura 37. Señalización canal común.
Fuente: Roberto Espinosa Espinosa. Redes telefónicas. Primera edición.
Página 70.
La filosofía de separar los caminos de la aplicación de los de señalización, separa
las funciones de la red de conexión por dónde van los circuitos de la aplicación, de
las de procesamiento que tienen que ver con el manejo de la señalización. Esto
permite máxima flexibilidad optimizando la conmutación y la señalización.
La transferencia de información se obtiene enviando mensajes, que son bloques
de información divididos en campos, en que cada uno tiene ciertos parámetro. La
estructura de los mensajes, los contenidos de los campos y los valores de los
parámetros son definidos en la especificación de cada sistema de señalización por
canal común.
83
El uso de mensajes abre todo un rango de flexibilidad, al no estar limitado a un
pequeño número de señales. Los mensajes pueden diseñarse para cubrir una
multitud de situaciones y servicios.
Los sistemas de señalización por canal común son especificados en términos de
formatos y procedimientos. Los formatos definen la estructura de los mensajes
usados y el significado y contenido de cada campo dentro del mensaje. Los
procedimientos definen la secuencia lógica en la cual el mensaje es enviado.
Por algunas razones, el sistema de señalización por canal común ha sido
ampliamente adoptado en las redes nacionales e internacionales:
•
Separación de los circuitos de la aplicación de la señalización, y la
interconexión directa de procesadores, que abren un abanico amplio en el
alcance y flexibilidad de la información transferida, además permiten alta
capacidad de señalización para miles de llamadas simultáneas.
•
Los costos de los equipos de señalización son menores al pasar de un costo
por circuito al costo de un solo terminal de señalización por un grupo de
enlaces entre centrales.
•
Los sistemas por canal común son muy rápidos, haciendo que el
establecimiento de una llamada se reduzca a casi un segundo, permitiendo
además la inclusión de más información sin influir en el retardo.
•
El alto grado de confiabilidad en la entrega de la información con la
introducción de técnicas de detección y corrección de errores.
•
El gran potencial de evaluación de los sistemas de canal común, que facilitan
la introducción de nuevas facilidades y responden rápidamente a nuevos
requerimientos de la red.
84
•
Por su flexibilidad, no está restringida su aplicación a un solo servicio pudiendo
incorporarse nuevos servicios y efectuar cambios a los existentes con mayor
rapidez.
Hay dos tipos de señalización de canal común aceptadas en el mundo, que son el
sistema de señalización # 6, usado especialmente en Estados Unidos y
particularmente el sistema de señalización # 7, de utilización mundial incluido
Colombia.
El sistema de señalización # 7 aunque inicialmente fue diseñado para telefonía, se
ha implementado en otros tipos de servicios, y este sistema de señalización se ha
venido adoptando a los nuevos requerimientos de señalización de todos ellos.
Así, ha venido adquiriendo mayor importancia en las nuevas redes de servicios
como las siguientes:
•
Red Telefónica Pública Conmutada (RTPC). Es un conjunto ordenado de
medios de transmisión y conmutación que facilitan, fundamentalmente, el
intercambio de la palabra entre dos clientes mediante el empleo de aparatos
telefónicos. El objetivo fundamental de la Red telefónica conmutada es
conseguir la conexión entre todos los usuarios de la red, a nivel geográfico
local, nacional e internacional.
•
Red Digital de Servicios Integrados (RDSI). Es una red de comunicaciones,
de banda estrecha, que evolucionó a partir de la red telefónica y permite
conectividad digital de usuario a usuario, proporcionando servicios telefónicos y
no telefónicos entre los mismos. Se dice Servicios integrados porque utiliza la
misma infraestructura para muchos servicios que tradicionalmente requerían
interfaces distintas (voz, conmutación de circuitos, conmutación de paquetes,
etc.); es digital porque se basa en la transmisión digital, integrando las señales
analógicas mediante la transformación Analógico-Digital.
85
•
Red Inteligente (RI). Plataforma basada en la interconexión de nodos en
donde residen aplicaciones informáticas, centrales de conmutación y sistemas
de bases de datos en tiempo real, enlazados mediante avanzados sistemas de
señalización, para proveer la nueva generación de servicios (llamada gratuita,
número único al abonado, tarificación adicional, etc.).
•
Red Móvil Pública Terrestre (RMPT). Red de comunicaciones formada por un
conjunto de centros de conmutación de servicios móviles dentro de un mismo
plan de numeración y direccionamiento. El centro de conmutación de móviles
es el interfaz entre la red fija y la red de móviles.
2.1.11 Antenas
Una antena es un dispositivo diseñado con el objetivo de emitir o recibir ondas
electromagnéticas hacia el espacio libre. Una antena transmisora transforma
voltajes en ondas electromagnéticas, y una receptora realiza la función inversa.
Básicamente existen dos tipos de antenas, según la forma que irradian: las
omnidireccionales y las direccionales. La primera irradia en todas direcciones y la
segunda en una dirección en particular. Si se graficara la energía de esas antenas
en un plano horizontal, se observaría que la antena omnidireccional cubre 360º y
las direccionales, solo en una sección del total. Esto se denomina "diagrama de
radiación". Según el plano en que se represente gráficamente, ya sea horizontal o
vertical, se denominan "diagramas de radiación vertical u horizontal". La
importancia de estos diagramas es que nos permite visualizar gráficamente hacia
donde irradia la antena y con qué ángulo (Figura 38).
También se agrupan por su polarización, siendo las que tienen polarización
vertical o las de polarización horizontal, las más comunes. Se clasifica una antena
como del tipo de polarización vertical a aquella cuyo campo eléctrico es
86
perpendicular a la tierra y paralelo para aquellas del tipo horizontal. Para que un
sistema opere correctamente, todas las antenas deberían tener la misma
polarización, en caso contrario, se introducirán pérdidas en el enlace que pueden
ser muy significativas.15
Otros factores a tener en cuenta son los siguientes:
•
Ganancia. Se define como la capacidad que tiene una antena para concentrar
la energía en un área dada. Por ejemplo, señalaremos que existe una antena
teórica, llamada isotrópica, que irradia uniformemente su energía en todas
direcciones. Si se graficara esa energía radiada, se representaría como una
figura similar a una esfera. En la práctica y dependiendo del tipo de antena, la
figura que se generaría sería una deformación de la esfera, cuya forma
dependerá del tipo de antena. A mayor concentración de la energía hacia una
dirección, mayor es la ganancia de una antena y por lo tanto se debe
concentrar la potencia que le aplicamos, hacia el área de interés. Esa área de
concentración principal se llama lóbulo de radiación principal.
15
http://www.compostelawireless.net/modules/sections/index.php?op=viewarticle&artid=1
87
Figura 38. Diagrama de radiación horizontal y vertical de una antena dipolo.
Fuente:
http://www.compostelawireless.net/modules/xoopsgallery/cache/albums/albu
m33/Diagrama_Radiacion.jpg
Como se observa en la Figura 39, también existen otros lóbulos que contienen
solo una fracción de la energía y se denominan "lóbulos secundarios".
88
Figura 39. Lóbulos principal y secundario de una antena.
Fuente:
http://www.compostelawireless.net/modules/xoopsgallery/cache/albums/albu
m33/Lobulosgif.gif
•
Ancho de haz. Se define como ancho del haz, al ángulo que se forma entre
las rectas, ya sea en el plano vertical o en el horizontal, y los puntos donde la
energía tiene un valor igual a la mitad de la energía principal (en la Figura 40,
puntos de -3dB). A mayor ganancia de la antena, menor será este ángulo.
2.1.11.1
Antenas dipolo
Un dipolo es una antena con alimentación central empleada para transmitir o
recibir ondas de radiofrecuencia. Estas antenas son las más simples desde el
punto de vista teórico.
89
Figura 40. Ancho de haz.
Fuente:
http://www.compostelawireless.net/modules/xoopsgallery/cache/albums/albu
m33/AnguloHaz.gif
90
Figura 41. Ejemplo de una antena dipolo.
Fuente:
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/42/Dipole_antenna.png
•
Dipolo simple. En su versión más sencilla, el dipolo consiste en dos
elementos conductores rectilíneos colineales de igual longitud, alimentados en
el centro, y de radio mucho menor que el largo.
La longitud del dipolo es la mitad de la longitud de onda de la frecuencia de
resonancia del dipolo, y puede calcularse como 150/frecuencia (MHz). El
resultado estará dado en metros.
A causa del efecto de bordes la longitud real será algo inferior, del orden del
95% de la longitud calculada.
La longitud real del dipolo a la frecuencia de resonancia dependerá de muchos
otros parámetros, como el diámetro del conductor, o bien la presencia de otros
conductores a proximidad.
91
En el espacio ideal y a una distancia de la tierra mayor a varias longitudes de
onda, la impedancia del dipolo simple es de 73 Ohm.
•
Dipolo en V invertida. Es un dipolo cuyos brazos han sido doblados el mismo
ángulo respecto del plano de simetría. Tiene la forma de una V invertida.
La realización exige algunas precauciones. Autores como Brault y Piat
recomiendan que el ángulo de la V no sea inferior a 120 grados, y que los
extremos de la V estén lo más lejos posible del suelo; la proximidad de los
extremos a la tierra induce capacidades que alteran la frecuencia de
resonancia.
El dipolo en V invertida es sumamente apreciado por los radioaficionados que
transmiten en expediciones, porque con un simple mástil de unos nueve
metros, un poco de cable y de cuerda de nylon, es posible instalar rápidamente
una antena transportable, liviana, y poco voluminosa.
•
Dipolo doblado. Es un dipolo cuyos brazos han sido doblados por la mitad y
replegados sobre sí mismos. Los extremos se unen. La impedancia del dipolo
doblado es de 300 Ohm, mientras que la impedancia del dipolo simple en el
vacío es de 73 Ohm.
El dipolo doblado es, en esencia, una antena única formada por dos
elementos. Un elemento se alimenta en forma directa, mientras que el otro
tiene acoplamiento inductivo en los extremos. Cada elemento tiene media
longitud de onda de largo. Sin embargo, como puede pasar corriente por las
esquinas, hay una longitud de onda completa de corriente en la antena
92
•
Dipolo de brazos plegados. Es un dipolo cuyos brazos tienen una pequeña
parte del extremo parcialmente plegada. Eso hace que se economice espacio,
a costa de sacrificar parcialmente la eficiencia del dipolo.
•
Dipolo eléctricamente acortado. Es un dipolo en el cual un segmento de
cada brazo (por ejemplo, el tercio central) es reemplazado por un solenoide.
Eso hace que el dipolo sea mucho más corto, pero a costa de sacrificar otras
cualidades del dipolo original, como la eficiencia, la impedancia y el ancho de
banda.
2.1.11.2
Antenas receptoras de AM y FM
Son antenas que comúnmente se utilizan para la recepción de señales en
aplicaciones de radiodifusión. Las antenas FM difieren de las de AM por la
diferencia de frecuencia con que trabajan. La antena AM más común es la antena
de cuadro también llamada “Loop”. La antena FM comúnmente usada es el dipolo,
siendo la más sencilla el dipolo simple.
La energía recibida es mayor cuando la antena está orientada de tal manera que
la señal de la emisora incide perpendicularmente en ella.
2.1.11.3
Antena GSM
Las antenas GSM son empleadas en telefonía móvil, estas lanzan ondas
electromagnéticas con una frecuencia de 900 MHz para el sistema analógico
(GSM), pulsadas en muy bajas frecuencias, generalmente conocidas como
microondas (300 MHz-300 GHz), con bastante similitud al espectro de los radares.
Las microondas llevan la información sonora por medio de ráfagas o pulsos de
93
corta duración con pequeñas modulaciones de su frecuencia, que se transfieren
entre los teléfonos móviles y las estaciones base.
2.1.12 Transmisión bluetooth
El bluetooth se inició a principios de 1998 con un ISG (Special Interest Group)
promovido por grandes empresas como lo son Ericsson, IBM, Intel, Nokia y
Toshiba, dicha tecnología se hizo pública el 20 de mayo del mismo año, la primer
versión de esta tecnología fue liberada dos meses después de su publicación con
la colaboración de compañías como lo son 3com, Ericsson, IBM, Intel, Lucent
Technologies, Microsoft, Motorola, Nokia y Toshiba.
Fundamentalmente, el Bluetooth vendría a ser el nombre común de la
especificación industrial IEEE 802.15.1, que define un estándar global de
comunicación inalámbrica que posibilita la transmisión de voz y datos entre
diferentes
dispositivos
mediante
un
enlace
por
radiofrecuencia
segura,
globalmente y sin licencia de corto rango.
La especificación de Bluetooth definiría un canal de comunicación de máximo 720
Kb/s con rango óptimo de 10 metros (opcionalmente 100 metros con repetidores).
Su frecuencia de tráfico, con la que trabaja, se encuentra en el rango de 2,4 a 2,48
GHz con amplio espectro y saltos de frecuencia con posibilidad de transmitir en
Full Dúplex con un máximo de 1600 saltos/s, los cuales se dan entre un total de 79
frecuencias con intervalos de 1Mhz.
Por todo, la potencia de salida para transmitir a una distancia máxima de 10
metros es de 0 dBm (1 mW), mientras que, en sí, la versión de largo alcance
transmite entre los 20 y 30 dBm (entre 100 mW y 1 W).
94
El Bluetooth está compuesto fundamentalmente de dos partes muy importantes:
en primer lugar, un dispositivo de radio (encargado de transmitir y modular la
señal), y el controlador digital; compuesto por un procesador de señales digitales,
una CPU y de los diferentes interfaces con el dispositivo anfitrión.
Gracias a este protocolo, los dispositivos que lo implementan pueden comunicarse
entre ellos cuando se encuentran dentro de su alcance. Las comunicaciones se
realizan por radiofrecuencia de forma que los dispositivos no tienen que estar
alineados y pueden incluso estar en habitaciones separadas si la potencia de
transmisión lo permite. Estos dispositivos se clasifican como "Clase 1", "Clase 2" o
"Clase 3" en referencia a su potencia de trasmisión, siendo totalmente compatibles
los dispositivos de una clase con los de las otras.
2.1.12.1
Funcionamiento
Trabaja en dos capas del modelo OSI que son la de enlace y aplicación, incluye
un transductor que trasmite y recibe a una frecuencia de 2.4 GHz Las conexiones
que se realizan son de uno a uno con un rango máximo de 10 metros, si se
deseara implementar la distancia se tendría que utilizar repetidores los cuales nos
ayudarían a abarcar una distancia de 100 metros.
El bluetooth por cuestiones de seguridad cuanta con mecanismos de encriptación
de 64 bits y autentificación para controlar la conexión y evitar que dispositivos
puedan acceder a los datos o realizar su modificación.
El trasmisor está integrado en un pequeño microchip que opera en una frecuencia
de banda global. Los dispositivos que incorporan esta tecnología se reconocen
entre si y utilizan el mismo lenguaje de la misma forma que lo realizan otros
dispositivos como lo son el computador y la impresora.
95
Durante la transferencia de datos el canal de comunicaciones permanece abierto y
no requiere la intervención directa del usuario cada vez que se desea transferir
voz o datos de un dispositivo a otro. La velocidad máxima que se alcanza durante
la transferencia es de 700 Kb/seg y consume un 97% menos que un teléfono
móvil.16
Objetivos principales de la tecnología Bluetooth.
•
Permitir la comunicación sencilla entre dispositivos fijos y móviles.
•
Evitar la dependencia de cables que permitan la comunicación.
•
Permitir la creación de pequeñas redes de forma inalámbrica.
2.1.12.2
Arquitectura de hardware.
Está compuesto por dos partes la primera de ellas es un dispositivos de radio que
es el encargado de modular y transmitir la señal, un controlador digital que a su
vez está compuesto por un procesador de señales digitales llamado link controller,
una CPU que es el encargado de atender las instrucciones del Bluetooth del
dispositivo anfitrión, esto se logra gracias link manager que es un software el cual
tiene como función permitir la comunicación con otros dispositivos por medio del
protocolo LMP.
Entre las tareas realizadas por el link controller y link manager destacan el envío y
recepción de datos, empaginamiento y peticiones, determinación de conexiones,
16
http://www.monografias.com/trabajos43/bluetooth/bluetooth2.shtml
96
autenticación, negociación y determinación de tipos de enlace, determinación del
tipo de cuerpo de cada paquete y ubicación del dispositivo en modo sniff o hold.
2.1.12.3
Arquitectura de software.
Se utilizan protocolos de alto nivel como SDP que es un protocolo que permite
detectar otros dispositivos en el rango de comunicación permitido, otro protocolo
utilizado es RFCOMN que permite emular la conexión de un puerto serial y TCS
que es un protocolo de control de telefonía, todos estos protocolos interactúan
entre sí para tener comunicación con el controlador de banda base a través del
protocolo L2CAP que es el encargado de la segmentación y reensamble de los
paquetes y a su vez envía los paquetes de mayor tamaño a través de la conexión
Bluetooth.
2.1.12.4
Transmisión.
El bluetooth está diseñado para usar acuses de recibos y saltos de frecuencias lo
que permite tener conexiones robustas, lo cual es una ventaja muy grande porque
permite ayudar a los problemas de interferencia y a su vez añade seguridad.
Esta transmisión puede ser realizada de manera síncrona o asíncrona. El método
síncrona es orientado a conexión de voz que es conocido como SCO, y la
conexión asíncrona que es utilizada para la transmisión de datos y es conocida
como ACL. La división de tiempo dúplex es usado para este tipo de conexiones los
cuales soportan 16 tipos de paquetes, cuatro de ellos son paquetes de control y
son los mismos en cada tipo de conexión. Debido a la necesidad de tranquilidad
en la transmisión de datos, los paquetes son enviados en grupos sin interrumpir
otras transmisiones que se estén realizando en ese momento.
97
2.1.12.5
Protocolos de conexión
Las conexiones Bluetooth son establecidas a través de la siguiente técnica.
•
Standby. Cuando los dispositivos están en modo de reposo ellos escuchan
mensajes cada 1.8 segundos sobre 32 saltos de frecuencia.
•
Page/inquirí. Permite el envió de un paquete denominado page que permite
realizar la conexión con otro dispositivo, y si el receptor de este page contesta
se comienza con la transferencia de datos.
•
Active. Permite la transmisión de datos.
•
Hold. Permite realizar la conexión sin necesidad de transferir datos la finalidad
de esto es conservar el poder entre el master y el slave, siempre y cuando así
se desee.
•
Sniff. Esta técnica solo es aplicada a unidades slave y permite conservar el
poder, durante este modo el slave no toma un rol activo pero escucha a un
nivel reducido.
•
Park. Este es un modo más reducido, que el modo hola, durante este modo el
slave es sincronizado a la piconet, lo cual permite no requerir un reactivación
completa, y no es parte del tráfico.
Uso y aplicaciones.
•
Conexión entre celulares y equipos manos libres.
•
Red inalámbrica en espacios reducidos.
•
Comunicación sin cables entre la PC y dispositivos de entrada y salida.
•
Transferencia de ficheros entre dispositivos vía OBEX.
•
Transferencia de fichas de contactos, citas y recordatorios entre dispositivos
vía OBEX.
98
•
Controles remotos como los utilizados por la consola Wii creada por la
compañía Nintendo.
2.1.13 Transmisión ZigBee
ZigBee es el nombre de la especificación de un conjunto de protocolos de alto
nivel de comunicación inalámbrica. Esta especificación define una solución para
comunicaciones inalámbricas de bajo coste y consumo. El principal objetivo que
pretende satisfacer una red de comunicación ZigBee es la de comunicar
aplicaciones que requieren comunicaciones seguras, con baja tasa de envío y
maximización de la vida útil de sus baterías. Por tanto la red, en su conjunto,
utilizará una cantidad muy pequeña de energía de forma que cada dispositivo
individual pueda tener una autonomía de hasta 5 años antes de necesitar un
recambio en su sistema de alimentación.
La ZigBee Alliance es el grupo encargado de su desarrollo. La primera versión 1.0
fue aprobada el 14 de diciembre de 2004. En diciembre de 2006 se aprobó el
protocolo ZigBee 2006, y actualmente se está trabajando en nuevas versiones.
El medio de transmisión ZigBee trabaja sobre la banda ISM para usos industriales,
científicos y médicos; en concreto, 868MHz en Europa, 915MHz en Estados
Unidos y 2.4GHz en todo el mundo. Al ser éste último libre en todo el mundo, las
empresas optan por esta opción a la hora de diseñar. En el rango de frecuencias
de 2.4GHz se definen hasta 16 canales, cada uno de ellos con un ancho de banda
de 5MHz.
La pila de protocolos ZigBee, también conocida como ZigBee Stack, se basa en el
nivel físico (PHY) y el control de acceso al medio (MAC) definidos en el estándar
IEEE 802.15.4, que desarrolla estos niveles para redes inalámbricas de área
99
personal de baja tasa de transferencia (LR-WPAN, Low Rate - Wireless Personal
Area Network). La especificación ZigBee completa este estándar añadiendo cuatro
componentes principales:
•
Nivel de red.
•
Nivel de aplicación.
•
Objetos de dispositivo ZigBee (ZDO, ZigBee Device Objects).
•
Objetos de aplicación definidos por el fabricante.
Además de añadir dos capas de alto nivel (nivel de red y de aplicación) a la pila de
protocolos, el principal cambio es la adición de los ZDO ya que son los
responsables de llevar a cabo una serie de cometidos, entre los que se
encuentran el mantenimiento de los roles de los dispositivos, la gestión de
peticiones de unión a una red, el descubrimiento de otros dispositivos y la
seguridad.
El protocolo ZigBee está diseñado para comunicar datos a través de ambientes
hostiles de RF que son comunes en aplicaciones comerciales e industriales.17
Las características ZigBee incluyen:
•
Soporte para múltiples topologías de red como de punto a punto, punto a
multipunto y la malla de las redes
•
Pequeño número de ciclos de destino - proporciona batería de larga duración
•
Baja latencia
17
www.recercat.net/bitstream/2072/13081/1/PFC+Ivan+Barneda.pdf
100
•
Secuencia directa de espectro expandido (DSSS)
•
Hasta 65.000 nodos por red
•
De 128-bit AES de cifrado para las conexiones de datos seguras
•
La evitación de colisiones, reintentos y reconocimientos
2.1.14 Transmisión Wi-Fi
Wi-Fi consiste en un sistema de envió de datos sobre redes que utiliza ondas en
ligar de cables (wireless). Se basa en el estándar IEEE 802.11 y es por esto que
existen diversos tipos de Wi-Fi.
Los estándares IEEE 802.11 son ampliamente aceptados ya que utilizan la banda
de frecuencia de 2.4 GHz IEEE 802.11b puede proporcionar una velocidad de 11
Mbps, IEEE 802.11g una velocidad de hasta 54 Mbps y IEEE 802.11n una
velocidad de hasta 108 Mbps IEEE 802.11b. El estándar IEEE 802.11ª, conocido
como Wi-Fi5 ya se utiliza en la actualidad, este opera en la banda de 5 GHz La
velocidad de transferencia del medio depende del estándar que se haga uso.
La principal ventaja que ofrece el Wi-Fi, aparte de las altas velocidades de
transferencia, es la capacidad de suministrar cobertura en un gran rango de
distancia (hasta 100 metros)
La desventaja fundamental del Wi-Fi existe en el campo de la seguridad. Existen
algunos programas capaces de capturar paquetes enviados a través de estas
redes desencarpetarla y acceder a ella.
101
2.1.15 Transmisión por radiofrecuencia (RF)
El término radiofrecuencia, también denominado espectro de radiofrecuencia o
RF, se aplica a la porción con menos energía del espectro electromagnético,
situada entre unos 3 Hz y unos 300 GHz Las ondas electromagnéticas de esta
región del espectro se pueden transmitir aplicando la corriente alterna originada en
un generador a una antena.
Para utilizar radiofrecuencia en comunicaciones es necesario disponer de un
dispositivo transmisor (el que emite la señal electromagnética permitiendo el envió
del mensaje) y un dispositivo receptor (el encargado de recoger la señal
electromagnética emitida ya por el transmisor).
Algunos usos comunes de la radiofrecuencia son:
•
Radiocomunicaciones.
•
Radioastronomía.
•
Radar.
Ventajas:
•
Gran alcance.
•
Bajo costo.
•
Bajo voltaje requerido para su funcionamiento.
Desventaja:
•
Posibles interferencias con otros dispositivos inalámbricos.
102
2.1.16 Transmisión infrarroja
Infrared Data Association (IrDA) define un estándar físico en la forma de
transmisión y recepción de datos por rayos infrarrojo. IrDA se crea en 1993 entre
HP, IBM, Sharp y otros.
Esta tecnología está basada en rayos luminosos que se mueven en el espectro
infrarrojo. Los estándares IrDA soportan una amplia gama de dispositivos
eléctricos,
informáticos
y
de
comunicaciones,
permite
la
comunicación
bidireccional entre dos extremos a velocidades que oscilan entre los 9.600 bps y
los 4 Mbps. Esta tecnología se encuentra en muchos computadores portátiles, y
en un creciente número de teléfonos móviles, sobre todo en los de fabricantes
líderes como Nokia y Sony Ericsson.
El FIR (Fast Infrared) se encuentra en estudio, con unas velocidades teóricas de
hasta 16 Mbps.
Características:
•
Cono de ángulo estrecho de 30º.
•
Opera en una distancia de 0 a 1 metro.
•
Conexión universal sin cables.
•
Comunicación punto a punto.
•
Soporta un amplio conjunto de plataformas de hardware y software.
2.1.17 Comunicaciones inalámbricas en ambiente interior
Se sabe que los sistemas de comunicación inalámbrica de mayor penetración son
los de telefonía celular, pero existen otros donde los mismos conceptos de
103
transmisión se aplican como los sistemas de redes locales inalámbricas y los
sistemas de comunicaciones “cordless”18. En la Tabla 2 se muestra una
comparación de estos tres sistemas. En el caso del sistema de telefonía celular se
tomó en cuenta un sistema de comunicaciones analógico, de igual forma para el
“cordless”.
Tabla 2. Comparación entre sistemas de comunicación inalámbrica.
Aspectos
Celular
Cordless
Red local
inalámbrica
Cobertura
1 a 10 km
10 a 100 m
< 30 m
Potencia de
transmisión
Alta
Baja
Baja
Movilidad
Alta
Administración
Movilidad
Localización/Handoff
No
No
Ancho de banda
Angosto
Angosto
Ancho
Control de enlace
Centralizado
Distribuido
Distribuido
Baja
Casi estacionario
Fuente: David Muñoz Rodríguez. Sistemas inalámbricos de comunicación
personal. Segunda edición. Página 124.
El sistema de red local es digital. Como se puede ver en la comparación, se tiene
un control distribuido del servicio en ambiente interior. También, la movilidad en
los sistemas de ambiente interior es muy baja, siendo casi nula, a diferencia de la
red celular donde se necesita de una administración de la movilidad para poder
tener registros de localización de los usuarios. El ancho de banda de la señal es
18
Aplicación que prescinde de un cordón eléctrico.
104
angosto para los sistemas analógicos (celular y cordless), del orden de 20 a 30
kHz, debido a que únicamente se utilizan para transmisión de voz. Sin embargo, el
sistema de red local que es digital y que transmite datos necesita de un ancho de
banda más amplio, del orden de 10 MHz, para poder satisfacer las necesidades
con respecto a la velocidad de transmisión que se puede tener de más de 1 Mbit/s
(Mbps).
Los sistemas de comunicación inalámbrica de ambiente interior trabajan
básicamente en una de dos bandas de frecuencias, la primera es la banda de
radio y la segunda es la de frecuencias infrarrojas. A continuación se describen los
aspectos más importantes de la propagación de señales de radio en un ambiente
interior.
2.1.17.1
Propagación en ambiente interior
Para el diseño de cualquier sistema de comunicaciones inalámbrico es muy
importante entender las características de las trayectorias de propagación porque
éstas determinan las pérdidas promedio, que a su vez se ven afectadas
enormemente por la altura de las antenas (las antenas del sistema deben estar
ubicadas a una misma altura) en comparación con sistemas que se comunican
con enlaces de línea de vista.
En sistemas de comunicación inalámbrica móvil, las características de
propagación tienen un impacto muy importante en su diseño. Cuando un equipo
terminal se encuentra en el exterior y su señal cubre una distancia de más de un
kilómetro se considera que la propagación de la señal se realiza bajo condiciones
que no son de línea de vista (LOS) en la mayoría de los casos, esto se debe a las
características del terreno a lo largo de la trayectoria seguida por la señal y a
posibles obstáculos como edificaciones de diferentes dimensiones. La condición
105
de no tener línea de vista es más severa que la de tenerla, por lo cual se debe
tomar en cuenta para el diseño de los sistemas, así como la determinación de la
capacidad y los enlaces.
En el caso de un ambiente interior, ambas condiciones, LOS y no LOS coexisten
independientemente de que las señales recorran distancias muy cortas. Esto es
debido a la gran cantidad de obstáculos presentes en el ambiente interior a lo
largo de la trayectoria de la señal. Uno de los aspectos más importantes de la
propagación de las señales en ambiente interior o exterior es la cuantificación de
las pérdidas de potencia de la señal que se está transmitiendo debido a la
distancia que lleva recorrida.
Las características de propagación para sistemas de comunicación en un
ambiente interior son únicas cuando se comparan a las de los sistemas en
ambiente exterior porque la cantidad de obstáculos presentes es mayor y, por lo
tanto, la reflexión y la difracción de las ondas de radio transmitidas es mayor. Los
obstáculos más comunes son las paredes, el techo, el piso y los muebles que se
utilizan.
Para estudiar la propagación en un ambiente interior, se pueden considerar
configuraciones de los lugares donde se realiza la comunicación y configuraciones
de las zonas de cobertura donde se proporcionan los servicios de la red y de esta
forma poder caracterizar físicamente el ambiente que depende de si se realiza la
comunicación en una oficina o en una casa.
Las configuraciones de los lugares se fundamentan en las características de las
áreas de trabajo donde se encuentra el sistema de comunicaciones. Se pueden
definir cinco distintas configuraciones en términos del tamaño del lugar y de la
densidad de objetos que son obstáculos potenciales para la transmisión de la
106
señal. El tamaño del lugar es diverso, desde pequeño hasta grande, y la densidad
de obstáculos varía desde baja hasta alta. Estas configuraciones se encuentran
resumidas en la Tabla 3.
Tabla 3. Configuraciones de las áreas de trabajo.
Configuración
Tamaño del lugar
Densidad de obstáculos
1
Grande sin particiones
Baja
2
Grande, particiones suaves
3
Grande sin particiones
Alta
4
Pequeño
Baja
5
Pequeño
Alta
Baja a media
Fuente: David Muñoz Rodríguez. Sistemas inalámbricos de comunicación
personal. Segunda edición. Página 126.
La siguiente es una lista con los cinco posibles casos de configuraciones en
ambiente interior.
1. Zona extra-grande
2. Zona grande
3. Zona mediana
4. Zona pequeña
5. Micro-zona
La configuración de zona extra-grande es un escenario donde se tiene una
estación base externa proporcionando los servicios inalámbricos de ambiente
107
interior a varios edificios de alrededor. La zona grande contiene una estación base
sirviendo a un grupo de pisos de un edificio.
La zona media, como se muestra en la Figura 42, contiene una estación base
proporcionando servicio a un piso; la zona pequeña comprende áreas de
aproximadamente el mismo tamaño que un cuarto con una estación base para las
estaciones de ese lugar. La micro-zona tiene varias estaciones base en un área
del tamaño de un cuarto, dividiéndose la zona para que cada estación base
proporcione servicio en una región particular del lugar.
La última configuración es la de un sistema distribuido donde se cuenta con
dispositivos de comunicación “cordless” que se comunican a una estación base
con cobertura muy pequeña y que está conectada a la red telefónica pública.
Figura 42. Configuración de zonas por cobertura.
Fuente: David Muñoz Rodríguez. Sistemas inalámbricos de comunicación
personal. Segunda edición. Página 126.
108
Cuando el tamaño de los lugares donde se instalará el equipo de comunicaciones
es grande y la densidad de población es relativamente alta, entonces es
conveniente utilizar configuraciones de micro-zona, zona pequeña y zona media.
En áreas residenciales se puede utilizar la configuración de zona extra-grande o
los sistemas distribuidos, sobre todo en áreas urbanas. En complejos de
apartamentos, es más conveniente considerar la configuración de zona grande.
Sin embargo, en áreas rurales se debe utilizar el sistema convencional alámbrico o
sistemas “cordless”.
A continuación se discutirán las características de propagación de las seis
configuraciones de cobertura.
2.1.17.2
Zona extra-grande
En los sistemas con este tipo de configuración, se puede considerar que la señal
transmitida sigue una trayectoria que se puede dividir en dos secciones, la primera
es en un ambiente exterior y la segunda es la penetración de la señal al edificio.
Para calcular las pérdidas, considere las siguientes definiciones: sea
(r) la
pérdida de potencia de la señal cuando ha recorrido una distancia r,
( ) la
pérdida a una distancia r =
distancia r =
,
,
, la atenuación debida a un edificio a una
el factor de atenuación respecto a la distancia recorrida,
factor de atenuación debida al edificio, y
109
el
las pérdidas de penetración del
edificio. Se muestra que las pérdidas en la potencia de la señal por la distancia
que se recorre pueden obtenerse por medio de la expresión:
La diferencia entre los términos de las pérdidas
( )y
( ) es que el primero
se incrementa cuando la frecuencia de la señal aumenta, y el segundo disminuye.
El factor
toma un valor de 2 si se tiene un enlace de línea de vista (LOS), pero
si no se tiene este tipo de enlace, se incrementa su valor en el rango de 3 a 6, el
valor exacto depende de los obstáculos alrededor del edificio. Por otro lado, el
factor
depende menos de la distancia y usualmente toma valores en el rango
de 0.5 a 1.5. El parámetro
depende de la diferencia entre las alturas de las
antenas de la estación base (BS) y el receptor. Si esa diferencia se incrementa,
entonces el parámetro se incrementará, y tomará un valor mínimo si la altura de
las antenas es la misma.
2.1.17.3
Zona grande
Esta configuración se presenta cuando en un edificio se proporciona servicio con
una estación base para varios o todos los pisos del edificio como se mostró en la
Figura 43.
110
Figura 43. Configuración de zona grande.
Fuente: David Muñoz Rodríguez. Sistemas inalámbricos de comunicación
personal. Segunda edición. Página 126.
Dicha configuración es apropiada para los servicios de un conmutador privado en
un edificio con una baja densidad de terminales que servir. Las pérdidas por
distancia recorrida en esta configuración están dadas por:
El parámetro
es el factor de pérdidas de la potencia de la señal por la distancia
recorrida en su transmisión, toma valores de 2 o 3 cuando el transmisor y el
receptor se encuentran en el mismo piso del edificio, y se incrementa a más de 3
cuando se localizan en pisos diferentes.
111
2.1.17.4
Zona mediana
La configuración de zona media es la más aplicable para los sistemas de
comunicación inalámbrica de ambiente interior. Para el cálculo de las pérdidas de
potencia en la señal de transmisión se definen los siguientes parámetros: F(r) es la
atenuación causada por el piso y toma valores usualmente de 20 a 40 dB y casi no
depende de la distancia r, debido a que en esta configuración se considera que la
cobertura se restringe dentro del mismo piso; se prefiere tener un valor grande de
este parámetro.
Defina fc como la frecuencia de la señal portadora, c como la velocidad de la luz,
m como el número de pisos que son cruzados por la señal y n el número de
paredes que cruza la señal, entonces las pérdidas de potencia a una distancia r
del transmisor,
(r), están dadas por:
donde W(r) es la atenuación causada por las paredes y R(r) representa las
pérdidas por reflexión de la señal. La tabla 4 contiene los factores de atenuación
de las paredes para varios tipos de material.
112
Tabla 4. Factores de atenuación.
Material
Atenuación
Madera (15 mm)
2,5 a 3,5 dB
Tabla roca
0,2 a 3,5 dB
Bloque de concreto
8,0 a 15 dB
Fibra de vidrio
(aislamiento)
Aprox. 38 dB
Fuente: David Muñoz Rodríguez. Sistemas inalámbricos de comunicación
personal. Segunda edición. Página 129.
2.1.17.5
Zona pequeña
Cuando la comunicación se establece a través de enlaces inalámbricos, la calidad
de servicio se determina por la relación de la potencia de transmisión de la señal
deseada con la de la señal de interferencia y/o ruido. Cuando alguno de los
canales inalámbricos no se puede utilizar es común que se deba a una de dos
razones, puede ser porque se encuentra ocupado por algún otro usuario o porque
la cantidad de tráfico es tal que la interferencia se incrementa al punto de que la
calidad de servicio no proporcione garantía de una buena comunicación, a esta
última se le conoce como “outage”.
En un piso de alguna edificación se pueden encontrar varias estaciones de
servicio atendiendo zonas más pequeñas y que permiten aislar a grupos de
usuarios, lo cual ayuda a tener un sistema efectivo con una baja probabilidad de
“outage”.
Las pérdidas de la señal por distancia recorrida dependen grandemente de los
obstáculos que se encuentren entre el transmisor y el receptor. Algunos resultados
113
sobre los modelos de pérdidas fluctúan entre 2 y 4 dependiendo de las
características del enlace, es decir, un factor de 2 es para un enlace de línea de
vista, un factor de 3 es para un enlace con un obstáculo, y un factor de 4 es para
un enlace con dos a más obstáculos.
2.1.17.6
Micro-zona
Un sistema de micro-zona contiene varias estaciones base proporcionando servicio de comunicaciones en un solo cuarto, esto ocurre con lugares donde la
densidad de terminales es muy alta. Las pérdidas en este tipo de sistemas son
similares a las de los sistemas de zona mediana y a los de zona pequeña, pero el
factor de pérdidas puede ser más pequeño en este caso. La localización de las
estaciones base es muy importante para evitar posibles pérdidas de comunicación
por medio de “outage”. También se debe considerar la posibilidad de introducir
paredes falsas con el objetivo de aislar de cierta manera algunas de las zonas
dentro del mismo cuarto. En cualquiera de las condiciones se tendrá comunicación
de línea de vista y de no línea de vista.
Para determinar el número de estaciones base se debe realizar un análisis por
medio del cual se formule un problema de optimización en el que se pueda
minimizar la probabilidad de “outage” con el número y localización de estaciones
base. La Figura 44 contiene un diagrama de un cuarto con divisiones y varias
estaciones base que proporcionan servicio a terminales dentro de un mismo
cuarto.
114
Figura 44. Comunicación inalámbrica en micro-zona.
Fuente: David Muñoz Rodríguez. Sistemas inalámbricos de comunicación
personal. Segunda edición. Página 131.
Es importante conocer el comportamiento de las señales en un ambiente interior
porque éste determinará la calidad del servicio, el número de usuarios y el tipo de
sistema que se tendrá implementado en una edificación dada. Es también
importante realizar la comunicación de estos sistemas de una forma confiable para
que puedan ser utilizados dentro del nuevo paradigma de comunicaciones,
comunicación de persona a persona.
2.1.17.7
Técnicas de desempeño
Visualizando la propagación de las señales se puede tener una ayuda que permita
derivar modelos matemáticos que tengan mejor exactitud. Generalmente, para
lograr esto se mide la intensidad y la fase del campo y se obtiene la distribución
espacial de éste, de ahí, se generan gráficas que permiten visualizar esa
115
intensidad de campo en un instante dado y si se obtienen las gráficas para un
intervalo de tiempo, se podrá ver de qué forma va cambiando ésta en las
diferentes zonas del área cubierta.
Debido al creciente uso de sistemas inalámbricos en interiores, y la proliferación
de antenas, se debe conocer el tiempo de arribo de la señal junto con el ángulo de
arribo para poder determinar la dirección de donde proviene.
En una red de comunicaciones inalámbrica se organizan las estaciones base si
éstas son varias, de tal forma que se proporcione el servicio a cierta región
cubriéndola con la señal que es transmitida, pero si en una región se utiliza una
señal transmitida a una frecuencia dada, entonces esa frecuencia no puede
utilizarse en regiones cercanas a la primera porque causarían interferencia
cocanal y en algún momento hasta “outage”.
Entonces lo que se necesita es repartir las frecuencias a las estaciones base de
forma que no se tenga ese tipo de interferencia o al menos que sea de un valor
que pase desapercibido desde el punto de vista del desempeño. Al proceso de
repartir las frecuencias se le conoce como la asignación de canales y al patrón de
frecuencias donde se pueden ver las regiones que utilizan un canal en particular
se le conoce como reuso de frecuencias.
El reuso de frecuencias ya existe desde los primeros días de radio cuando se
podía tener dos estaciones transmisoras de radio en diferentes ciudades con la
misma frecuencia.
Recientemente, el reuso de frecuencias era sólo aplicado a las redes de telefonía
celular, pero actualmente se ha comenzado a considerar para las redes de
comunicación inalámbrica en ambiente interior.
116
El reuso de frecuencias se puede utilizar si se toleran niveles de interferencia de 85 dBm producidos por las señales de sistemas celulares exteriores.
La capacidad de tráfico de un sistema se representa como el número total de
usuarios que el sistema puede conectar al mismo tiempo y es uno de los
parámetros más importantes para determinar el desempeño de una red así como
para medir el grado en el cual una red es mejor que otra.
Diversos factores de las redes inalámbricas pueden afectar la capacidad de
tráfico, entre ellos se encuentran la atenuación causada por los obstáculos, el
control de potencia del transmisor y la relación señal-interferencia aceptable para
establecer y mantener una llamada.
117
3. METODOLOGÍA
3.1
ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN
Actualmente el uso de nuevas tecnologías es el común denominador para el
desarrollo de nuevas aplicaciones en todos los campos de la ingeniería, por ende
es necesario incorporar estas a los nuevos proyectos de investigación o incluso,
de ser necesario desarrollar nuevas tecnologías que permitan cubrir las
necesidades de estos nuevos proyectos pensando también en la necesidad de
buscar la compatibilidad con tecnologías más antiguas al momento de su
modernización.
La forma empírica del proyecto se basa principalmente en los ensayos de los
dispositivos en lugares donde pueda ser aplicado, ya que de la experiencia en la
práctica se puede hacer una comparación analítica con los datos resultantes.
El enfoque analítico de los intercomunicadores se relaciona principalmente con el
diseño electrónico para el funcionamiento del intercomunicador, aplicando lo
estudiado durante la carrera en las diferentes áreas que aplican.
El apoyo a la sociedad y a las generaciones futuras consiste en dejar un legado en
investigación que otros pueden continuar y mejorar. Existe también la intención
durante el desarrollo del proyecto, de que este pueda convertirse en una pauta de
trabajo para quien desee encaminarse a través de las comunicaciones
inalámbricas y sus tecnologías relacionadas.
118
4. LÍNEA DE INVESTIGACIÓN DE USB/SUB-LÍNEA DE FACULTAD/CAMPO
TEMÁTICO DEL PROGRAMA
4.1
LINEAS DE INVESTIGACION USB
4.1.1 Tecnologías actuales y sociedad
Las tecnologías alámbricas están siendo reemplazadas en la sociedad por
métodos inalámbricos en muchos de
los dispositivos de uso común en
comunicaciones. Esto ha hecho necesario que las investigaciones desarrollen
nuevas funciones y aplicaciones que contribuyan al desarrollo tecnológico con el
fin de obtener nuevos dispositivos electrónicos que permitan solucionar diversos
problemas que aún persisten en telecomunicaciones y así lograr satisfacer las
necesidades de la sociedad.
4.2
SUB-LINEA DE LA FACULTAD
4.2.1 Sistemas de información y comunicación
Los sistemas de información permiten desarrollar los procesos de una forma
sistematizada de tal manera que cada uno de estos cumpla una función
específica. Actualmente estos sistemas se encuentran inmersos en diferentes
áreas del conocimiento que han permitido de cierta manera la evolución
del
mundo tecnológico y más específicamente los procesos de comunicación que
permiten que diversos dispositivos se encuentren al servicio de la sociedad.
Los sistemas de comunicaciones, permiten la transmisión y recepción de
mensajes, ya sean de datos, voz o video. Como estructura general de estudio, el
proceso de comunicación se puede considerar dividido en varias etapas que son:
119
captación de la información, modulación, transmisión, propagación, recepción,
demodulación,
almacenamiento, reproducción y en general, todas las fases
necesarias para lograr una comunicación de forma exitosa. Para lograr esto, se
necesita de un análisis de los componentes que hacen parte de cada una de las
etapas necesarias. Son inevitables las prácticas y pruebas estadísticas del
funcionamiento de dispositivos, especialmente los de trasmisión inalámbrica. Esto
con el fin de tener unos datos prácticos de sus características y poder así conocer
los posibles campos en que podrían ser aplicados o la forma en que podrían ser
utilizados en un diseño realizado. Es necesario un trabajo investigativo de lo
anterior, para lograr un desarrollo óptimo.
4.3
CAMPO TEMÁTICO
4.3.1 Comunicaciones
En el proceso del desarrollo de las comunicaciones se han generado cambios
continuos para fortalecer diversos servicios en beneficio de la sociedad. Desde la
telefonía móvil hasta el Internet, son servicios que permiten la comunicación con
diferentes partes del mundo y la ingeniería electrónica ha sido parte fundamental
en este complejo proceso.
Para
el
desarrollo de
un
intercomunicador
basado en
comunicaciones
inalámbricas deberá tenerse en cuenta las fortalezas de las diversas tecnologías
actuales empleadas en los sistemas de comunicación. Esto permitirá el desarrollo
adecuado de la aplicación, lográndose alta calidad y estabilidad en su
funcionamiento.
120
5. DESARROLLO INGENIERIL
El sistema de comunicación inalámbrico desarrollado mediante el presente
proyecto permite establecer de una forma versátil, conexiones bidireccionales
entre una estación central (estación base) y cada una de las extensiones.
La función del prototipo desarrollado es hacer que cada uno de los dispositivos
acoplados logren operar de acuerdo con las características genérales establecidas
en el sistema.
Este intercomunicador está estructurado con el propósito de que permita realizar
un enlace inalámbrico para comunicación de voz con las extensiones, tal como se
visualiza en el diagrama en bloques de la Figura 45.
Figura 45. Diagrama general del intercomunicador inalámbrico.
Estación base
(consola)
Extensión
Extensión
Extensión
Extensión
201
202
203
204
121
Figura 46. Diagrama funcional en bloques del intercomunicador inalámbrico.
Teléfono
Teléfono
Salida
Transmisión y
recepción
Controlador
Extensión
Entrada
Interfaz de
usuario
En
la
Figura
46
se
muestra
el
diagrama
funcional
del
sistema
de
intercomunicaciones que se va a diseñar e implementar. Una descripción general
de su funcionamiento es la siguiente:
El sistema se encuentra en un estado inicial de reposo. Cuando el operador
oprime la tecla asterisco (*), se habilita la marcación y se visualiza en la interfaz la
solicitud de digitar la extensión con la cual se desea comunicar, al marcar el
numero de la extensión se indicará con el tono de repique y el mensaje que se
está comunicando con esta. Si en la extensión se contesta, se activa un indicador
y se establece la comunicación.
Una vez descrito el funcionamiento general del sistema, se procederá a realizar la
descripción y el diseño de cada una de las partes que conforman el sistema.
122
5.1
ESTACIÓN BASE
La estación base es la parte encargada de facilitar la comunicación del operador
con cada una de las extensiones, de acuerdo con los comandos que este
introduzca al sistema.
En la Figura 47 se hace una división por bloques de la parte correspondiente a la
estación base, teniendo en cuenta los principales elementos funcionales que la
conforman y de los cuales se hará una descripción a continuación.
Figura 47. Diagrama en bloques de la estación base.
Teléfono
Controlador
Transmisión y
recepción
Interfaz de
usuario
5.1.1 Controlador central
El controlador central es la parte inteligente que maneja las principales funciones
que es capaz de realizar la estación base. Entre otras funciones, controla el
módulo de Transmisión y Recepción con cada una de las extensiones y se
comunica con la Interfaz de usuario, a través de la cual indica el estado de la
comunicación.
123
Este Controlador está compuesto por un microcontrolador y una etapa de
conmutación.
El microcontrolador para esta etapa debe ser adecuadamente seleccionado según
su capacidad, dentro de una amplia gama de dispositivos, con base en las
funciones que debe realizar en el sistema. En la Tabla 6 se comparan con base en
sus características principales el microcontroladores PIC 16F877A y PIC18F452,
los cuales fueron considerados como los más opcionados para ser utilizados en la
implementación del controlador.
Tabla 5. Microcontroladores PIC
Microcontrolador PIC 16F877A
•
•
Características
•
•
•
•
•
•
PIC18F452
40 pines.
Frecuencia de operación:
20 MHz
Memoria Flash: 8k.
Puertos de entrada y
salida 5.
Set de instrucciones 35.
Comunicaciones
serial:
MSSP,USART
Interrupciones: 14.
Memoria de datos : 368
Bytes
•
•
•
•
•
•
•
•
40 pines.
Frecuencia de operación:
40 MHz
Memoria Flash: 32k.
Puertos de entrada y
salida 5.
Set de instrucciones 75.
Comunicaciones
serial:
MSSP, USART.
Interrupciones: 18.
Memoria de datos : 1.5
KBytes
De acuerdo con las características de los microcontroladores considerados en la
Tabla 6, se puede concluir que cualquiera de los dos dispositivos es capaz de
realizar en forma adecuada las funciones del Controlador de la estación base. Sin
embargo,
se
considera
sobredimensionado
que
el
microcontrolador
PIC
18F452
estaría
para la implementación de este Controlador, pues sus
características sobrepasan en gran medida los requerimientos de este diseño.
124
Además de lo anterior, la selección de este dispositivo generaría un incremento en
los costos del proyecto.
En conclusión, para la implementación del controlador de la estación base se
utilizo el PIC 16F877a de Microchip Technology Inc. debido a que es capaz de
cubrir los requerimientos del sistema, en cuanto a velocidad de funcionamiento,
cantidad de pines y funciones que es capaz de realizar.
El microcontrolador PIC 16F877a, que cuenta con 40 pines divididos en 5 puertos
de entrada y salida de información, funciona con un oscilador externo de 4 MHz.
De acuerdo con la Figura 48 se muestra diagrama correspondiente al sistema de
control del intercomunicador.
125
126
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
RF900DV
26631301RP2
J1
10n
C8
10k
R2J
100K
RV1
10k
R3J
10n
C7
C6
10n
2SC2603
10n
C5
Q1
ESTACION BASE
1
2
SIL-100-02
J3
2
3
10u
C4
6
1
8
4
7
10u
C2
LM386
5
U1
6.8k
R4
10u
C1
100u
C3
100R
R1J
VSS
VDD
VEE
1
2
3
PN2222A
Q5
SPEAKER
LS1
RS
RW
E
4
5
6
LM016L
LCD1
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
7
8
9
10
11
12
13
14
#
8
0
7
C
D
9
5
4
B
6
2
2
1
3
3
A
1
DIAGRAMA ESQUEMATICO INTERCOMUNICADOR INALAMBRICO
100k
R3
100K
10n
1k
40
39
38
37
36
35
34
33
26
25
24
23
18
17
16
15
30
29
28
27
22
21
20
19
2SC2603
Q2
10n
C9
220k
1k
PIC16F877A
RC7/RX/DT
RC6/TX/CK
RC5/SDO
MCLR/Vpp/THV
RC4/SDI/SDA
RC3/SCK/SCL
RE2/AN7/CS
RC2/CCP1
RE1/AN6/WR
RC1/T1OSI/CCP2
RE0/AN5/RD
RC0/T1OSO/T1CKI
RA5/AN4/SS/C2OUT
RB7/PGD
RA4/T0CKI/C1OUT
RB6/PGC
RA3/AN3/VREF+
RB5
RA2/AN2/VREF-/CVREF
RB4
RA1/AN1
RB3/PGM
RA0/AN0
RB2
RB1
OSC2/CLKOUT
RB0/INT
OSC1/CLKIN
RD7/PSP7
RD6/PSP6
RD5/PSP5
RD4/PSP4
RD3/PSP3
RD2/PSP2
RD1/PSP1
RD0/PSP0
877A
LED-GREEN
D1
R5
R7J
C10
R5J
R6J
14
13
7
6
5
4
3
2
1k
CRYSTAL
4MHz
PN2222A
Q3
LS2
SPEAKER
X1
SIL-100-02
J2
PN2222A
Q4
10
9
8
R19
1k
R1
1
2
6.8k
R2
1
2k
R4J
Figura 48.Diagrama controlador (estación base)
5.1.1.1 Control de la Interfaz de usuario
Para la comunicación con la Interfaz de usuario se utilizó de manera multiplexada
el puerto B del microcontrolador, permitiendo conectar a la vez el elemento de
visualización (LCD) y el Teclado. La LCD muestra que el sistema se encuentra en
estado de reposo. Una vez el operador habilita la marcación por medio del teclado
se visualiza que se puede digitar el numero de la extensión e indica el estado de
la llamada.
5.1.1.2 Control del módulo de transmisión y recepción
Para la selección de la frecuencia a la cual trabajará el modulo RF900DV en un
momento dado, se asignaron los pines del 15 al 18 (C0, C1, C2, C3), los cuales
entregan niveles altos o bajos de voltaje al modulo de RF. Además, el
microcontrolador cuenta con dos pines dedicados a la recepción (pin 26) y
transmisión (pin 25) de datos de forma serial (USART), con el fin de establecer la
señalización entre la base y las extensiones. Para transmitir o recibir las tramas de
datos de 8 bits se utilizo una tasa de baudios de 1200 bits por segundo . Los bits
están codificados en NRZ (nivel alto 1, nivel bajo 0). En modo asíncrono el pin 25
(C6), se utiliza como terminal de transmisión de datos y el 26 (C7) como terminal
de recepción de datos.
5.1.1.3 Control del teléfono
El control del teléfono (micrófono y parlante), se realiza a través de los pines 19 y
20 correspondientes al puerto D del microcontrolador, con el propósito de habilitar
o deshabilitar el circuito del teléfono por medio de los niveles de voltaje que llegan
a la base de los transistores Q5 (Parlante) y Q2 (Micrófono), como lo muestra la
Figura 48.
127
•
Conmutación del teléfono
Teniendo en cuenta las características necesarias para el funcionamiento de un
transistor como conmutador, la corriente que ingresa a la base debe tener un valor
adecuado para que el transistor entre en corte o de igual manera pueda ser
llevado a saturación.
Cuando un transistor entra en corte, la corriente del colector (Ic) debe ser igual a
cero y el voltaje de colector emisor (VCE) debe ser aproximadamente igual de la
fuente de alimentación del circuito. Cuando se encuentre en saturación, la
corriente del colector (Ic) debe ser máxima y un voltaje (VCE), mínimo o en lo
posible cero.
De acuerdo con lo anterior y con base en las características del sistema se
realizaron los siguientes cálculos:
Datos del sistema:
A partir de la fórmula de potencia, tenemos:
128
Teniendo en cuenta que el Beta del transistor es aproximadamente 200, se calcula
la corriente para asegurar que el transistor se sature.
La corriente de base es:
Reemplazando en la ecuación, tenemos:
De acuerdo con el resultado obtenido esta es la corriente necesaria para que el
transistor se sature y permita que pase la señal de voz desde el micrófono y hacia
el parlante.
Para calcular la resistencia Rb, se realiza la malla en el circuito de la base:
129
Despejando Rb, obtenemos lo siguiente:
En la Figura 48 la resistencia Rb calculada corresponde a R2 para el micrófono y
R4 para el parlante
5.1.1.4.
Estructura lógica del controlador de la estación base
Inicialmente el sistema establece una frecuencia de operación que es asignada
por el Controlador a través de los cuatro primeros pines del modulo de
radiofrecuencia. En la estación base esta se mantiene fija. Una vez el operador
ingresa el número de la extensión por medio del teclado, se compara esta
información con los datos almacenados en la memoria EEPROM, para verificar si
se trata de un número de extensión válido. Si el número coincide con alguna de
las extensiones almacenadas, el Controlador inicia el establecimiento de
la
comunicación con la extensión de destino. De lo contrario, retorna al estado de
reposo donde el operador tiene que iniciar nuevamente el proceso de marcación.
El diagrama de flujo de la Figura 49 ilustra lo descrito anteriormente.
130
Figura 49. Diagrama de flujo estación base
Inicio
Declaración de funciones
.
Activar frecuencia del modulo
Teclado=EEPROM
Si
Llamando
Extension
No
Limpia
Para establecer una llamada es necesario enviar datos de señalización a las
extensiones a través de la USART del microntrolador. Los datos se asignaron en
palabras de 8 bits, en formato hexadecimal, dentro de las cuales se seleccionaron
4 de las 256 posibles. De acuerdo con la Tabla 6, estos son los datos que se
envían para realizar una llamada a alguna de las extensiones.
Tabla 6. Datos de señalización.
Extensión
201
202
203
204
Dato Enviado (Hexadecimal)
0F
71
3D
E0
131
Sin embargo, el único dato que no se puede asignar es el 00 (Hex), porque
corresponde a un dato que se recibe constantemente de las extensiones que se
encuentran encendidas y sintonizadas en la misma frecuencia de la estación base.
A través de la LCD se puede visualizar el número de la extensión de destino con la
cual se realiza la conexión y el tiempo de duración de la llamada que se
predetermino a un minuto con el fin de lograr una mejor administración del
sistema. Al iniciar la llamada se activan los dispositivos de voz y se mantienen en
este estado durante la llamada. Al finalizar la llamada el operador puede reiniciar
el sistema oprimiendo cualquier tecla, para una próxima marcación. En el
diagrama de flujo de la Figura 50 se muestra este proceso.
Figura 50. Diagrama de flujo comunicación con el destino.
Llamando Extensión
Si
Extensión=EEPROM
Envía Dato
No
Mensajes LCD
Limpia
Activa Dispositivos
Fin
Tiempo
de
Llamada
Finalización de
Llamada
Si
Inicio
Se
oprimió
alguna tecla
132
No
5.1.2 Etapa de transmisión y recepción
Como se dijo antes, esta etapa debe realizar la transmisión bidireccional de la
información de voz y de señalización, entre la estación base y la extensión
seleccionada en un momento dado.
5.1.2.1 Selección de la tecnología Inalámbrica que se va a utilizar.
Teniendo en cuenta que existe una gran cantidad de tecnologías que pueden ser
utilizadas para efectuar una transmisión de voz o de datos en forma inalámbrica,
se realiza a continuación una comparación entre algunas de las más utilizadas,
con el fin de determinar
particular.
cuál es la más adecuada para ésta aplicación en
En la Tabla 7 se resumen las ventajas y las desventajas de las
tecnologías Bluetooth, ZigBee y Radiofrecuencia.
Tabla 7. Ventajas y desventajas tecnologías de comunicación
Tecnología
Ventajas
•
Bluetooth
•
•
•
ZigBee
•
•
•
•
Posibilita la transmisión de voz •
y datos
entre
diferentes
dispositivos
mediante
un •
enlace por radiofrecuencia.
Transmisión full dúplex.
Por motivos de seguridad •
cuenta con mecanismo de
encriptación.
Bajo consumo de energía.
Bajo consumo de energía.
•
Esta diseñado bajo un estándar
IEEE 802.15.4.
Hasta 65000 nodos por red.
Soporta múltiples tecnologías
de red como punto a punto,
punto a multipunto y las mallas
133
Desventajas
Distancia máxima de
transmisión 10 mts.
La potencia de salida
para transmitir 10 mts
es de 1mW.
Para
su
óptimo
funcionamiento
requiere
de
una
arquitectura
de
software más densa.
Diseñado
especialmente para la
transmisión de datos.
de las redes.
•
Radiofrecuencia
•
•
•
•
Funciona en frecuencias entre •
3Hz y 300GHz.
Alcance promedio entre 100
mts y 300 mts.
Bajos costo.
Bajo voltaje requerido para su
funcionamiento.
Permiten la transmisión de
datos y voz full dúplex.
Posibles interferencias
con otros dispositivos.
Al analizar las características de las diferentes tecnologías contenidas en la tabla
5, se encuentra que, la tecnología bluetooth proporciona un alcance muy corto por
la baja potencia que maneja y además requiere del uso de un software robusto
para su manejo, lo cual genera mayores costos para su implementación.
La tecnología ZigBee está diseñada bajo estándares que permiten un mejor
desempeño y mayor facilidad para implementar redes inalámbricas con un
excelente alcance y bajo consumo, pero su gran desventaja es que éste
dispositivo ha sido especificado y diseñado específicamente para la transmisión de
datos.
La tecnología de radiofrecuencia cuenta con un amplio rango de frecuencias de
trabajo, tal como se especifico en el numeral 2.1.15 dentro del marco teórico
conceptual. Comercialmente se puede encontrar dispositivos de relativamente
bajo costo que manejan esta tecnología. Estos dispositivos proporcionan un
alcance en línea de vista adecuado para la aplicación que se va a desarrollar en
este proyecto.
Teniendo en cuenta las anteriores consideraciones, se determinó que la
tecnología más adecuada para la implementación de los canales de comunicación
134
inalámbrica, entre la estación base y cada una de las extensiones es la de
Radiofrecuencia.
5.1.2.2 Selección del módulo de RF.
Perteneciente a esta tecnología, se selecciono el modulo RF900DV fabricado por
Laipac.Inc, debido a que este brinda un alcance en espacio libre aproximadamente
de 200 metros y en ambientes interiores de 40 metros, apto para la aplicación de
transmisión y recepción de voz full dúplex con bajo consumo de energía. Este
dispositivo se encarga de la modulación y demodulación de la información en FM.
Bajo estos parámetros se decidió que este modulo era adecuado para desarrollar
la aplicación de un intercomunicador inalámbrico de cuatro extensiones.
5.1.2.3 Descripción del módulo de RF
Los enlaces de transmisión inalámbrica del sistema de intercomunicación se han
desarrollado a partir de dos tipos de módulos, RF 900dv ( base (B) y remoto (H))
que tienen la posibilidad de realizar la comunicación full dúplex. El aspecto físico
de estos módulos puede verse en la Figura 51.
135
Figura 51. Módulos RF 900 DV, base (B) y remoto (H).
Fuente: http://www.quebarato.com.co/rf900dv-transceptor-a-900-mhztransmisor-de-datos-y-voz__1623B1.html
El módulo RF 900 DV trabaja en un rango de frecuencias entre 902.525 y 927.025
MHz para transmisión y recepción, proporcionando 16 canales de 1250 kHz que
cuentan con una separación de 300 kHz entre ellos. Este módulo está diseñado
para realizar la modulación y demodulación de las señales en frecuencia
modulada (FM). Se hace necesario asignar una misma frecuencia a la base y al
remoto con el cual se va a comunicar y evitar que otra extensión remota se
encuentre a la vez en la misma frecuencia, ya que esto produce interferencias y
satura el canal de comunicación. Cada uno de estos módulos cuenta con un pin
dedicado al envió de información (datos y voz) y otro utilizado para la recepción.
Para poder realizar el proceso de transmisión y recepción, el dispositivo requiere
de una antena con una impedancia típica de 50 ohm. Para esto se utiliza un dipolo
cuya longitud para que trabaje en éste rango de frecuencias, puede ser calculado
a partir de la siguiente ecuación:
136
En la Figura 52 puede verse el diagrama de pines del módulo RF 900 DV.
Figura 52. Módulo RF900DV
El RF 900DV posee 13 pines que se describen a continuación:
Los cuatro primeros pines (D0-D3) son los que permiten asignar el canal de
comunicación que se va a utilizar, es decir, con estos se establece la frecuencia
de operación. Esta frecuencia es asignada con base en la orden recibida del
módulo Controlador de la estación base. Para asignar las frecuencias de una
manera adecuada es preciso utilizar estas cuatro entradas. Para este proceso se
tomó como referencia los datos de la tabla 8, suministrada por el fabricante.
137
Tabla 8.Selección de frecuencia
Debido a que estos dispositivos son transmisores y receptores, la alimentación de
cada etapa se hace de manera independiente. Así, por medio de los pines 5 y 6
se polariza la etapa de transmisión del modulo, mientras que a través de los pines
8 y 9 se polariza el receptor. El pin numero 13 provee la alimentación para el
circuito análogo interno. Se debe tener en cuenta que el rango de voltaje que se
maneja se encuentra entre 3.6 V y 4.2 V, según especificaciones de fabricación.
La información correspondiente a voz y datos que se enviará a cada una de las
extensiones ingresa por el pin 7, donde la etapa transmisora hace una modulación
en FM de la información que llega al dispositivo para posteriormente enviarla a
través de la antena hacia la extensión. Los datos de señalización enviados
corresponden a los mencionados en la Tabla 6.
138
La recepción de voz se hace a través del pin 10, el cual entrega una señal de voz
analógica con bajos niveles de voltaje al circuito amplificador LM386-1 para que
esta sea audible. La información relacionada con datos de señalización se obtiene
por el pin 12. Esta señal contiene datos de 8 bits en formato hexadecimal
codificados en NRZ y son recibidos por el controlador.
Cuando la extensión recibe la información de señalización, se tiene un cambio con
respecto a la enviada por la estación base, debido a la presencia de ruido el cual
causa perturbaciones en el canal de transmisión y también a la imperfecciones
presentadas por los procesos de modulación y demodulación. Por lo tanto los
datos recibidos por el modulo de radiofrecuencia se encuentran en la tabla 9.
Tabla 9. Dato de señalización recibido en las extensiones
Extensión
201
202
203
204
Dato Recibido (Hexadecimal)
FA
F5
C5
F0
A través del pin 11 el módulo puede indicar su estado de libre u ocupado, lo cual
se indica mediante dos posibles niveles, así: cuando es alto se encuentra libre y
cuando está en bajo se encuentra ocupado.
5.1.3 Teléfono
Es el dispositivo transductor que se encarga de recibir la voz del operador o del
usuario en las extensiones y convertirla en un formato eléctrico analógico para su
139
manipulación por parte del sistema. De igual manera, convierte la señal eléctrica
analógica recibida y la convierte en una señal audible para el usuario.
Comprende no solo lo relacionado con la entrada de la señal de voz por medio del
micrófono y su salida a través del parlante, sino también, el circuito de
amplificación correspondiente. En la Figura 53 se muestra un diagrama general
del teléfono.
Figura 53. Diagrama del teléfono
Diagrama del teléfono
Micrófono
Circuito
amplificación
Parlante
5.1.3.1. Aparato telefónico
Al sistema se le adapto un teléfono convencional utilizado para citofonía, el cual se
interconecta con él para permitir la entrada y la salida de voz. Para realizar la
conexión del teléfono con el sistema se diseño el circuito impreso mostrado en la
Figura 54.
140
Figura 54. Circuito impreso para adecuación del teléfono
A través del circuito impreso mencionado se realiza la conexión del interruptor de
cuelgue y del manófono con el sistema, empleando un plug RJ-45 el cual permite
acondicionar un enlace físico hacia el circuito de amplificación.
5.1.3.2 Amplificación del teléfono
•
Micrófono
Al chocar una onda sonora con un diafragma se produce una vibración que genera
un voltaje, el cual es la representación eléctrica del sonido. Dado que los niveles
de dicho voltaje son muy bajos, es necesario amplificarlos, tal como se describe a
continuación.
La amplificación de la señal eléctrica producida por el micrófono se realiza a través
del transistor Q1 y mediante la configuración de resistencias que se muestra en la
Figura 55.
141
Figura 55. Etapa de amplificación del micrófono.
SEÑAL CONTROLADOR
MICROFONO
R1
Q2
PN2222A
2k
R6
R7J
SALIDA
RF900DV
100K
1k
C10
10n
R5
R2
220k
2k
Q1
C9
10n
PN2222A
La señal eléctrica producida por el micrófono entra por el colector del transistor
Q2, el cual hace parte del controlador y cuya función es la de realizar el proceso
de conmutación para habilitar o deshabilitar el micrófono. El condensador (C9)
recibe la señal que deja pasar el conmutador cuando está habilitado, eliminando la
componente DC de esta y permitiendo que pase la voz hacia la base del transistor
Q1.
Por medio de la resistencia de R2 se provee el voltaje necesario de polarización
del micrófono. Las resistencias R5 y R6
permiten que se obtenga una
retroalimentación de la señal. El condensador C10 y la resistencia R7J, filtran la
señal ya amplificada, la cual es enviada hacia la etapa de transmisión.
•
Cálculos para la amplificación del micrófono
Datos del sistema
142
Teniendo que
143
La corriente del colector se calcula a partir de:
Por tanto la corriente en la base es:
Entonces la corriente en el emisor es muy cerca a la del colector
Teniendo la corriente de base se calcula la resistencia d base a partir de:
Se tiene una ganancia igual a:
144
•
Parlante
La amplificación de la señal proveniente del modulo de radiofrecuencia se realiza
por medio del circuito integrado LM386 -1, que proporciona una potencia de 1/2 w
con una ganancia de voltaje entre 20 dB y 200 dB. La configuración para la
amplificación se realizo según el diagrama de la Figura 56.
Figura 56. Amplificación parlante LM386.
SEÑAL CONTROLADOR
C4
R1J
10u
RV1
10k
C3
100u
6
1
8
U1
R3J
C5
2k
Q5
5
2
C6
10n
PN2222A
4
7
10u
100K
SPEAKER
R4
C1
3
10n
LS1
100R
LM386
C8
10n
AF OUT
C2
10u
La señal procedente del pin AF OUT (Voz) del módulo RF900DV, pasa a través de
una resistencia variable RV1, la cual permite hacer un ajuste de la intensidad de la
señal entrante al amplificador; teniendo como resultado una variación en el
volumen. Esta señal es desacoplada antes de llegar al pin 3 correspondiente a la
entrada del circuito amplificador. La polarización de éste circuito (LM386-1), se
145
realiza mediante la conexión de los pines 4 (Gnd) y 6 (Vcc). La ganancia del
amplificador se obtiene conectando un condensador entre los pines 1 y 8 como se
visualiza en la Figura 56.
Para la salida de voz se utilizó un parlante convencional el cual recibe una señal
eléctrica proveniente del pin 5 del amplificador. Esta hace vibrar una membrana
flexible, generando un movimiento mecánico que se transforma en una señal de
voz.
Para cacular la ganancia del amplificador se tiene en cuenta la configuracion en
lazo abierto como lo muestra la siguiente Figura 57.
FIGURA 57. Amplificador Operacional
Donde la ganancia del amplificador en lazo abierto está dada por la siguiente
fórmula:
Donde:
AV = ganancia de tensión
146
Vs = tensión de salida
Ve = tensión de entrada
De acuerdo con la formula anterior el circuito de amplificacion LM386 se diseño
para obtener una ganancia de 20 dB, la cual se calculo a partir de la formula
anterior y cada uno de los respectivos voltajes de entrada y salida del circuito.
Vs = 3.1 Voltios
Ve = 310 mV
Dada la ganancia obtenida en voltaje se pasa esta a ganancia en dB de la
siguiente manera:
Reemplazando tenemos:
147
Sin embargo para efectos más prácticos el amplificador dispone de dos pines 1 y 8
para el control de ganancia. Con los pines 1 y 8 abiertos, una resistencia interna
en el encapsulado de 1.35 kΩ pone la ganancia en 20dB. Por lo tanto si se coloca
un condensador del pin 1 al 8, como bypass de la resistencia interna de 1.35 kΩ,
la ganancia se acercará a 200 dB. Esto depende del tipo de aplicación y la calidad
de audio que el sistema requiera.
5.1.4 Interfaz de usuario
La interfaz de usuario diseñada para la estación base cuenta con dos dispositivos
que permiten el ingreso de datos al controlador y la visualización del estado del
sistema.
Por medio del teclado 3x4 (Figura 58), se ingresa el numero de la extensión con la
cual se desea realizar la comunicación (Ver tabla 6). La finalización de la llamada
se puede hacer pulsando cualquiera tecla.
148
Figura 58. Teclado 3x4
Fuente: http://articulo.mercadolibre.com.mx/MLM-48648585-tecladomatricial-3x4-plastico-alta-calidad-pic-atmel-avr-_JM
En la pantalla LCD de 2x16 es posible visualizar los mensajes que de acuerdo
con su estado de funcionamiento puede emitir la función que se está ejecutando
en el Controlador. A continuación se dan a conocer los principales avisos.
Figura 59. Mensaje de espera
Este mensaje indica que no se ha establecido ninguna llamada y por lo tanto esta
a la espera de una marcación (Ver Figura 59).
Figura 60. Habilita marcación
Al oprimir la tecla asterisco (*) se habilita el sistema solicitando que se digite una
extensión (Ver Figura 60).
149
Figura 61. Visualización de la marcación
En la Figura 61 se muestra el mensaje que indica que se está realizando la
marcación a una extensión de acuerdo con los datos de la tabla 6, por lo tanto
está a la espera del último dígito para terminar el proceso.
Figura 62. Llamando a la extensión
Una vez se ha marcado la extensión de destino la pantalla indica que se está
realizando la llamada (Figura 62).
Figura 63. Inicio de llamada
En la Figura 63 se muestra que se ha dado inicio a la llamada y el tiempo que
queda para finalizar la comunicación.
150
Figura 64. Finalización de llamada
Después de que el tiempo ha finalizado se puede ver el mensaje de fin de llamada
por lo tanto el usuario debe pulsar cualquier tecla para reiniciar el sistema y dar
paso a una nueva marcación (Figura 64).
5.2
EXTENSIONES
Las extensiones cumplen la función de atender una solicitud de llamada realizada
desde la estación base. El diseño del módulo de una extensión es similar al de la
Estación base, en todo lo relacionado con los circuitos correspondientes al sistema
de transmisión y recepción, teléfono y función de conmutación realizada por el
Controlador. Por lo tanto, se describirán a continuación los procesos lógicos que
cumple el controlador del módulo de las extensiones y el significado de los
indicadores correspondientes a la interfaz de usuario.
5.2.1 Estructura lógica del controlador (extensiones)
Si las extensiones se encuentran sintonizadas en la misma frecuencia que la de la
estación base, estarán a la espera de recibir un dato del modulo de
radiofrecuencia RF900DV (H), que ingresa al microcontrolador a través del pin 26
(C7). Este dato, que identifica a cada una de las extensiones, es comparado con
los datos almacenados en el microcontrolador. Si hay coincidencia del dato
recibido con el dato que identifica a esa extensión, esta habilita la señal de timbre.
En el momento en que el usuario levante el manófono, se habilitará el parlante, el
micrófono y el indicador de descuelgue quedando habilitada la comunicación
durante un minuto. Si el dato recibido no corresponde con la identificación de la
151
extensión que está haciendo el análisis, el sistema de control de la extensión
realiza un cambio de su frecuencia por medio de un cambio que hace el
controlador en los pines C0, C1, C2 y C3 del microcontrolador. Este proceso
activa además un indicador de este evento. Este cambio de canal se realiza para
permitir que el destinatario real de la llamada se comunique con la estación base,
sin que se generen interferencias.
Para tener una idea global del funcionamiento lógico del sistema, véase el
diagrama de flujo de la Figura 65.
Figura 65. Diagrama de flujo extensiones.
Inicio
Declaración de funciones
Activar frecuencia inicial
Si
Rx= Dato
Timbre
No
Si
cambio de
Descuelga
Activa Dispositivos
frecuencia
No
Tiempo de llamada
Activa
indicador
Inicio
Finaliza llamada
Tiempo
.
Inicio
Inicio
152
5.2.2 Indicadores de usuario
Es sistema del módulo de las extensiones dispone de 3 indicadores luminosos y
uno sonoro. El LED verde en su estado encendido indica que el sistema se
encuentra energizado; el LED blanco muestra que se ha descolgado el manófono
y permanece encendido hasta que se vuelva a colgar. El LED rojo señala que el
canal de comunicación inalámbrico ha sido ocupado por otro usuario. Por último,
la indicación sonora advierte que existe una llamanda entrante desde la estación
base (Ver Figura 66).
Figura 66. Indicadores para Usuario
La orden para activar la señal de timbre es generada por el controlador a través
del pin 8 (E0), utilizando la librería de tonos CCS del compilador C. La librería
contiene las frecuencias correspondientes a las notas musicales. La amplificación
del timbre se hace a través del colector del transistor Q3 , con un parlante de 100
Ω a 0.25 W.
El circuito esquemático correspondiente a las extensiones se puede ver a
continuación en la Figura 67.
153
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
154
RF 900 DV
26631301RP2
J1
10n
C8
10k
R2J
100K
RV1
10k
R3J
10n
C7
1
2
10n
2SC2603
J3
C6
Q1
10n
C5
SIL-100-02
2
3
10u
C4
EXTENSIONES
LM386
5
U1
10u
C2
6
1
8
4
7
100R
R4
6.8k
10u
C1
100u
C3
R1J
PN2222A
Q5
SPEAKER
LS1
DISEÑO ESQUEMATICO INTERCOMUNICADOR INALAMBRICO
100k
R3
100K
10n
1k
PIC16F877A
LED-GREEN
D2
1k
C9
10n
Q6
220k
1k
PN2222A
R5J
R6J
1k
1k
R7
R6
RC7/RX/DT
RC6/TX/CK
RC5/SDO
MCLR/Vpp/THV
RC4/SDI/SDA
RC3/SCK/SCL
RE2/AN7/CS
RC2/CCP1
RE1/AN6/WR
RC1/T1OSI/CCP2
RE0/AN5/RD
RC0/T1OSO/T1CKI
RA5/AN4/SS/C2OUT
RB7/PGD
RA4/T0CKI/C1OUT
RB6/PGC
RA3/AN3/VREF+
RB5
RA2/AN2/VREF-/CVREF
RB4
RA1/AN1
RB3/PGM
RA0/AN0
RB2
RB1
OSC2/CLKOUT
RB0/INT
OSC1/CLKIN
RD7/PSP7
RD6/PSP6
RD5/PSP5
RD4/PSP4
RD3/PSP3
RD2/PSP2
RD1/PSP1
RD0/PSP0
877A
R8
40
39
38
37
36
35
34
33
26
25
24
23
18
17
16
15
30
29
28
27
22
21
20
19
LED-GREEN
D1
R5
R7J
C10
14
13
7
6
5
4
3
2
10
9
8
1
2k
1k
J8
R19
1k
R1
R4J
6.8k
R2
CRYSTAL
4MHz
X1
PN2222A
Q3
SPEAKER
LS2
BUZZER
J2
MICROFONO
PN2222A
Q4
Figura 67. Circuito esquemático extensiones
6. ANALISIS DE RESULTADOS.
El prototipo de intercomunicación inalámbrica enfocado a estructuras residenciales
dio como resultado un buen funcionamiento en cuanto a la transmisión de voz y
señalización punto a punto.
La interfaz de usuario diseñada facilita el uso del dispositivo, sin la necesidad de
que el usuario tenga conocimiento general de este ya que los mensajes e
indicadores muestran el estado del sistema.
Presenta un consumo de corriente aproximado de 100 mA con un voltaje de
polarización de 4.1Voltios tanto para la base como para las extensiones. Si el
usuario desea utilizar el intercomunicador con baterías es necesario que estas
cumplan con los requerimientos del sistema.
Se realizaron pruebas de comunicación punto a punto y multipunto ,donde se
obtuvieron los siguientes resultados:
6.1
COMUNICACIÓN MULTIPUNTO.
El prototipo desarrollado ha dado como resultado un funcionamiento aceptable en
distancias cortas no mayores a 25 metros para realizar una comunicación
multipunto, haciendo referencia a que únicamente la base puede establecer
comunicación
con
las
extensiones
(Ver
Figura
68).
Por
lo
tanto
el
intercomunicador inalámbrico con cuatro extensiones, omite la posibilidad que
estas se comuniquen con la estación base, debido a que si más de una extensión
se encuentra en la misma frecuencia saturan el canal e impide la recepción de
información (voz y datos).
155
A partir de esto se tiene una limitación en la duración de la llamada, debido a que
se hace necesario temporizar esta para administrar el canal de comunicación y
permitir que la base pueda establecer una nueva llamada con otras extensiones.
Figura 68. Comunicación multipunto.
Estación base
(consola)
Extensión
201
Extensión
202
Extensión
203
Extensión
204
201
6.2
COMUNICACIÓN PUNTO A PUNTO.
En la comunicación punto a punto como lo muestra la Figura 69 se disminuyen los
problemas presentados por las interferencias causadas por las demás extensiones
que se encuentran activas en ese momento. Algunos de los inconvenientes que se
mejoran es la distorsión en la llamada y los intentos erróneos de llamada
causados por el ruido como lo son que la estación base realice una marcación y la
extensión nunca de señal de timbre o por el contrario que se genere un timbre de
llamada sin que la estación central hubiese intentado comunicarse con la
extensión.
Al dedicar un único canal para la transmisión se da la posibilidad de realizar una
llamada desde alguna de las extensiones. También se logra un mejor cubrimiento
156
de las distancias para la transmisión de voz y señalización. Sin embargo, para el
desarrollo de esta comunicación se debe realizar un cambio en la lógica del
controlador de la estación base y de las extensiones con el fin de que la llamada
pueda tener tiempo ilimitado.
Figura 69. Comunicación punto a punto.
Comunicación
6.3
OPTIMIZACIÓN DEL PROTOTIPO
Para mejorar el prototipo es necesario incluir mas módulos base para poder
independizar cada una de las extensiones con su respectiva base y trabajando en
diferentes frecuencias. Esto conllevaría a un incremento de los costos totales del
proyecto en un 60%.
Si se desea que el prototipo disminuya en dimensiones físicas se hace necesario
hacer un diseño de circuitos impresos en montaje superficial.
Para mejorar el prototipo es necesario hacer uso de dispositivos de gama alta
capaces de soportar estos requerimientos, dentro los cuales se pueden incluir los
microcontroladores y la interfaz de usuario, pero generan mayores costos.
157
Para aprovechar completamente los módulos de radiofrecuencia RF900DV, sería
necesario hacer uso de sus 16 canales, es decir, el sistema crecería hasta el
punto de tener 16 módulos base con sus respectivas extensiones, permitiendo una
comunicación de tiempo ilimitado con cada una. El controlador central del sistema
necesitaría de un microcontrolador con mayor capacidad para lograr administrar y
cumplir con las funciones requeridas por el sistema.
•
Costos prototipo
El desarrollo del prototipo de intercomunicación con cuatro extensiones genero un
costo total como se muestra en la tabla 10.
Tabla 10. Costos prototipo
Dispositivo
Cantidad
Estación Base 1
Extensiones
4
TOTAL PROTOTIPO
Valor
Unidad
450.000
400.000
Total
450.000
1’600.000
2’050.000
Los precios que se encuentran en la tabla anterior están referenciados con el
precio del dólar del año 2010, por lo tanto estos pueden tener una variación en el
costo final del proyecto.
6.4
PRUEBAS DE ALCANCE
Se realizaron pruebas punto a punto en campo abierto y se determinó que el
sistema responde eficientemente a una distancia de 80 metros. La transmisión y
recepción, en cuanto a voz y señalización fueron exitosas; sin embargo
dependiendo del entorno esta respuesta puede degradarse.
158
Figura 70. Prueba de Alcance
Después de realizar un sin número de pruebas se llego a la conclusión que para
realizar una mejor transmisión de la información, las antenas se deben ubicar en
línea de vista en caso de tener alguna de las extensiones a una distancia mayor
de 25 metros. Por consiguiente si no se sobrepasa esta distancia se puede hacer
uso de otro tipo de antenas que se pueden conectar directamente al terminar de
salida del prototipo como se visualiza en la siguiente figura.
Figura 71. Extensiones
159
El prototipo final presento mejores resultados de funcionamiento en entornos al
aire libre con pocos obstáculos; fincas y conjuntos con espacios abiertos.
6.5
Diseño final del dispositivo
La Figura 72 muestra la estación base o consola desde la cual se originan las
llamadas a cada una de las extensiones
Figura 72. Consola (base).
160
La siguiente gráfica (Figura 73) es el diseño final tanto físico como electrónico de
cada una de las extensiones lo único que puede cambiar de estos es el tipo de
antena que se utiliza de acuerdo con la distancia, pero teniendo en cuenta la
frecuencia de funcionamiento del dispositivo.
Figura 73. Extensiones.
161
7. RECOMENDACIONES
•
Se recomienda que la comunicación (transmisión recepción) entre estación
base y extensión se haga punto a punto, evitando, en lo posible, la utilización
de la estación base para comunicación multipunto (con varias extensiones) ya
que puede presentarse interferencia cocanal.
•
Otra recomendación importante es evitar utilizar el equipo intercomunicador en
edificaciones destinadas a ser bases de operaciones de empresas de
telecomunicaciones y similares.
•
No se recomienda el uso del intercomunicador inalámbrico en centros médicos;
las radiofrecuencias emitidas por este podrían causar interferencia con equipos
médicos de emergencia, equipos de cuidados intensivos, y causar problemas
en pacientes con marcapasos.
•
Para el correcto uso del intercomunicador es recomendable que los manófonos
de las extensiones siempre se encuentren bien colgadas en sus respectivas
bases, ya que de otro modo no se podría lograr comunicación porque estos
entrarían en estado de ocupado. Además hay que asegurarse de que ambos
dispositivos se encuentren encendidos y alimentados (los LEDs indicadores
deben verse encendidos).
162
8. CONCLUSIONES
•
Los módulos de radiofrecuencia RF900DV, son óptimos para la transmisión de
voz, pero en la transmisión de datos presenta deficiencias por el ruido que se
presenta en el canal de comunicación.
•
La ubicación de las antenas en línea de vista es fundamental para disminuir
ruidos e interferencias en el sistema de comunicación.
•
La tecnología de radiofrecuencia, permite disminuir los costos de los
dispositivos con respecto a las demás tecnologías de transmisión inalámbrica
pero sin embargo, presenta deficiencias por las interferencias causadas por
otros dispositivos .
•
La interfaz de usuario permite tener un mejor conocimiento sobre el estado del
sistema, brindando la posibilidad de informar al operador lo que está
sucediendo.
•
El sistema de control permite establecer una conexión entre la interfaz de
usuario, el medio de transmisión y el destino.
Las comunicaciones vía inalámbrica son susceptibles a ruidos e interferencias que
pueden afectar el desempeño en la transmisión y recepción de información
163
9. BIBLIOGRAFÍA
ESPINOSA ESPINOSA, Roberto. Redes telefónicas. 1 ed. Bogotá: Editorial
Linotipia Bolivar, 2000. 272 p.
FOROUZAN, Berouz A. Transmisión de datos y redes de comunicaciones. 2 ed.
Madrid: McGraw Hill, 2002. 887 p.
GARCÍA BREIJO, Eduardo. Compilador C ccs y simulador Proteus para
microcontroladores PIC. 1 ed. México D. F.: Alfaomega, 2008. 263 p.
MUÑOZ RODRIGUEZ, David. Sistemas inalámbricos de comunicación personal. 2
ed. México: Alfaomega, 2002. 337 p.
TANENBAUM, Andrew S. Redes de computadoras. 3 ed. Naucalpan de Juárez:
Pearson, 1994. 813 p.
http://citofonos.com/
http://www.imelcom.com/
http://www.profesores.frc.utn.edu.ar/electronica/ElectronicaAplicadaIII/Aplicada/Ca
p03ModulacionAM1.pdf
http://www.ie.itcr.ac.cr/marin/telematica/tcd/EIS/2.ModulaciondeAmplitud.pdf
http://www.textoscientificos.com/redes/modulacion/frecuencia
http://www.acis.org.co/memorias/JornadasTelematica/IIJNT/BlueTooth_Zigbee.pdf
164
http://www.audiopro.cl/hme.php
http://www.wordreference.com/definicion/
http://arieldx.tripod.com/manualdx/bandas/modulacion.htm
http://itscelectronica.foroactivo.com/introduccion-a-las-telecomunicacionesf8/modulacion-fm-t118.htm
http://www.compostelawireless.net/modules/sections/index.php?op=viewarticle&art
id=1
http://ec.europa.eu/health/opinions2/es/campos-electromagneticos/glosario/
http://www.crtc.gc.ca/dcs/eng/glossary.htm
http://es.thefreedictionary.com/
http://www.ac.uma.es/~nico/docencia/ar/redes.pdf
http://www.alegsa.com.ar/Diccionario/diccionario.php
http://www.dliengineering.com/vibman-spanish
http://www.masadelante.com/faqs/bit
http://www.vazart.net/presentaciones/red_telefonica_conmutada.pdf
165
http://www.frm.utn.edu.ar/comunicaciones/isdn.html
http://www.waymovil.net/root/glossarioR.asp
http://www.coit.es/publicac/publbit/bit111/quees.htm
http://www.edicionsupc.es/ftppublic/pdfmostra/TL03204M.pdf
http://buscon.rae.es/draeI/SrvltConsulta?TIPO_BUS=3&LEMA=l%C3%B3bulo
http://www.prteducativo.com/ninos/partesdeltelefono.htm
http://jro.igp.gob.pe/newsletter/200802/noticia3.php
166
10. ANEXOS
Anexo A. Especificaciones del Laipac RF 900dv
Rango de frecuencia
Son las frecuencias que un dispositivo puede manejar o en las que trabaja en óptimas condiciones.
En este caso se manejan diferentes rangos de frecuencias en cada dispositivo para que no exista
una interferencia entre las transmisiones. Las frecuencias que se manejan se muestran a
continuación.
Frecuencia Tx de la base
Frecuencia OSC Rx de la base
Frecuencia Tx del remoto
Frecuencia OSC Rx del remoto
902.525~907.025 MHz
933.225~937.725 MHz
922.825~927.025 MHz
891.825~896.325 MHz
Número de canales y sistema de comunicación:
16CH, Full y dúplex
La transmisión full dúplex utiliza dos circuitos para la comunicación, uno para enviar y otro para
recibir, pero de manera simultánea, ambas estaciones entre las cuales está establecida la
comunicación
Este tipo de transmisión permite que sea simultáneamente por un mismo canal, es decir en este
dispositivo se pueden manejar 16 conversaciones diferentes, es decir la base se comunica por 16
canales diferentes y/o 16 destinos, con los cuales hay una comunicación full dúplex a la vez.
Separación entre canales:
300KHz entre dos canales
Distancia que existe entre los canales para que no exista interferencia en las señales que se
transmiten por cada uno de estos. En el caso de estos dispositivos se tiene que este valor es de
300KHz entre dos canales.
Impedancia de la antena:
50 ohm
La impedancia de una antena es un tipo de resistencia que posee toda antena, y de hecho todo
sistema eléctrico, y que se deriva del efecto combinado de resistencia de elementos, reactancias
capacitivas y reactancias inductivas. La impedancia afecta la transferencia de energía entre las
diferentes partes de un sistema de radio. En cuanto a impedancia, la regla general es que para
lograr una máxima transferencia de energía a la antena, la impedancia de la antena debe ser igual
a la impedancia de la línea de transmisión, la cual debe ser igual a la del equipo de radio.
La impedancia se mide en ohmios y el valor adoptado universalmente para las antenas de los
equipos de radio es de 50 ohmios. Cuando la impedancia de la antena es de un valor diferente se
utilizan bobinas o transformadores con el fin de acoplar esas impedancias. Se fabrican para baja
impedancia de 50 a 150 Ω. La más utilizada es de 75 Ω.
167
La impedancia de los módulos RF 900 dv y de la línea de transmisión que ellos manejan es
constante, y es de un valor típico de 50 ohm. Por lo tanto para lograr una adecuada transferencia
de energía es necesario usar una antena que maneje una impedancia de 50 ohm
Sistema de modulación:
FM
Este tipo de modulación es utilizado porque tiene alta fidelidad en la transmisión de voz y música.
Voltaje de operación de la base:
3.6VDc
Voltaje de operación del remoto:
3.6VDc
Consumo de corriente
Base
Remoto
Carrier
Frecuencia de cristal PLL IC
Máximo 100 mA
Máximo 100 mA
Máximo 100 ms
11.15 MHz
Especificaciones de transmisión (TX)
Potencia de transmisión:
Frecuencia de tolerancia
0dbm +- 3dbm
< 5KHz
:
Máxima desviación en frecuencia permitida, es decir, el módulo RF900 permite un máximo de
desviación de 5KHz y por lo general es menor a este valor.
Nivel de modulación de voz
:
30KHz ± 5 KHz
(Remoto 1KHz con 300 mV rms de entrada)
(Base 1KHz con 500 mV rms de entrada)
Frecuencia de respuesta de la voz
:
150Hz~15KHz
Nivel de modulación de los datos:
75 KHz ±5 KHz
(Remoto 1KHz con 2Vpp de entrada)
Velocidad de los datos:
300 bps~100 Kbps
(Remoto 1KHz con 2Vpp de entrada)
(Base 1KHz con 3Vpp de entrada)
Relación señal a ruido:
>35db
(Handset 1KHz 300 con mV rms de entrada)
(Base 1KHz con 500mVrms de entrada)
168
PLL
Especificaciones de recepción (RX)
Sensibilidad
Relación S/N
Distorsión de audio
Nivel de salida de audio
Respuesta de frecuencia de audio
<100mS
(S/N=20db, Dev=30KHz)
< -97dbm
(1KHz Dev = 30KHz RF = -60dbm)
> 35 db
(1Khz Dev=30KHZ)< 5%
(1KHz Dev=30KHz)80mV ±20mV
(1KHz Dev=30KHz)150Hz~15KHz
El módulo RF900 debe tiene una respuesta en frecuencia entre 150 Hz y 15 kHz, lo cual se
encuentra entre los equipos de calidad que tiene un margen ente 20-20000 Hz. Por lo tanto entre
mayor sea la respuesta en frecuencia que maneja el equipo, más calidad tendrá en el sonido final.
Nivel de salida de datos
Remoto
Base
3.6 Vp-p ± 0.5 Vp-p
3.6 Vp-p ± 0.5 Vp-p
Velocidad de datos:
300bps ~ 100K bps
RSSI sensibilidad (S/N=12db)
PLL lock up time
< -101dbm
< 100 ms
Descripción de pines
PIN
1.
ALG-VCC
Base:
3.6 VDc
Remoto:
3.6 VDc
2.
Data output
Base
3.6Vp-p ±0.5Vp-p
Remoto
3.6Vp-p ±0.5Vp-p
3.
Salida de ocupado
Ocupado es bajo, libre es alto
4.
AF Output
Nivel de salida 80mVrms
5.
RX-VCC Input
Base:
3.6VDc
Remoto:
3.6VDc
6.
RX-GND In/Out
7.
AF/DATA
8.
TX-VCC
transmisor
Base:
3.6VDc
Remoto:
3.6VDc
9.
TX-GND
10.
CH-D3 Input
Entrada de potencia para el circuito análogo
Nivel de salida de señal cuadrada
Detecta la salida de ocupado,
Señal de salida de audio del receptor
Potencia suministrada por el RF- circuito receptor
Tierra del RF- circuito receptor
Entrada de señal de audio o señal de datos
Potencia suministrada por el RF- circuito
Tierra del RF-circuito transmisor
Canal de selección PIN D3
169
11.
12.
13.
CH-D2 Input
CH-D1 Input
CH-D0 Input
Canal de selección PIN D2
Canal de selección PIN D1
Canal de selección PIN D0
170
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
171
RF 900 DV
26631301RP2
J1
10n
C8
10k
R2J
100K
RV1
10k
R3J
10n
C7
1
2
10n
2SC2603
J3
C6
Q1
10n
C5
SIL-100-02
2
3
10u
C4
EXTENSIONES
LM386
5
U1
10u
C2
6
1
8
4
7
100R
R4
6.8k
10u
C1
100u
C3
R1J
PN2222A
Q5
SPEAKER
LS1
DISEÑO ESQUEMATICO INTERCOMUNICADOR INALAMBRICO
100k
R3
100K
10n
1k
PIC16F877A
LED-GREEN
D2
1k
C9
10n
Q6
220k
1k
PN2222A
R5J
R6J
1k
1k
R7
R6
RC7/RX/DT
RC6/TX/CK
RC5/SDO
MCLR/Vpp/THV
RC4/SDI/SDA
RC3/SCK/SCL
RE2/AN7/CS
RC2/CCP1
RE1/AN6/WR
RC1/T1OSI/CCP2
RE0/AN5/RD
RC0/T1OSO/T1CKI
RA5/AN4/SS/C2OUT
RB7/PGD
RA4/T0CKI/C1OUT
RB6/PGC
RA3/AN3/VREF+
RB5
RA2/AN2/VREF-/CVREF
RB4
RA1/AN1
RB3/PGM
RA0/AN0
RB2
RB1
OSC2/CLKOUT
RB0/INT
OSC1/CLKIN
RD7/PSP7
RD6/PSP6
RD5/PSP5
RD4/PSP4
RD3/PSP3
RD2/PSP2
RD1/PSP1
RD0/PSP0
877A
R8
40
39
38
37
36
35
34
33
26
25
24
23
18
17
16
15
30
29
28
27
22
21
20
19
LED-GREEN
D1
R5
R7J
C10
14
13
7
6
5
4
3
2
10
9
8
1
2k
1k
J8
R19
1k
R1
R4J
6.8k
R2
CRYSTAL
4MHz
X1
PN2222A
Q3
SPEAKER
LS2
BUZZER
J2
MICROFONO
PN2222A
Q4
Anexo B. Planos y PCBs de las extensiónes.
172
173
174
175
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
RF900DV
26631301RP2
J1
10n
C8
10k
R2J
100K
RV1
10k
R3J
10n
C7
C6
10n
2SC2603
10n
C5
Q1
ESTACION BASE
1
2
SIL-100-02
J3
2
3
10u
C4
6
1
8
4
7
10u
C2
LM386
5
U1
6.8k
R4
10u
C1
100u
C3
100R
R1J
PN2222A
Q5
SPEAKER
LS1
LM016L
LCD1
VSS
VDD
VEE
1
2
3
RS
RW
E
4
5
6
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
7
8
9
10
11
12
13
14
9
#
8
0
7
C
D
5
4
6
2
1
2
B
3
3
A
1
DIAGRAMA ESQUEMATICO INTERCOMUNICADOR INALAMBRICO
100k
R3
100K
10n
1k
40
39
38
37
36
35
34
33
26
25
24
23
18
17
16
15
30
29
28
27
22
21
20
19
2SC2603
10n
C9
220k
1k
Q2
R5J
R6J
PIC16F877A
RC7/RX/DT
RC6/TX/CK
RC5/SDO
MCLR/Vpp/THV
RC4/SDI/SDA
RC3/SCK/SCL
RE2/AN7/CS
RC2/CCP1
RE1/AN6/WR
RC1/T1OSI/CCP2
RE0/AN5/RD
RC0/T1OSO/T1CKI
RA5/AN4/SS/C2OUT
RB7/PGD
RA4/T0CKI/C1OUT
RB6/PGC
RA3/AN3/VREF+
RB5
RA2/AN2/VREF-/CVREF
RB4
RA1/AN1
RB3/PGM
RA0/AN0
RB2
RB1
OSC2/CLKOUT
RB0/INT
OSC1/CLKIN
RD7/PSP7
RD6/PSP6
RD5/PSP5
RD4/PSP4
RD3/PSP3
RD2/PSP2
RD1/PSP1
RD0/PSP0
877A
LED-GREEN
D1
R5
R7J
C10
14
13
7
6
5
4
3
2
1k
CRYSTAL
4MHz
PN2222A
SPEAKER
LS2
Q3
X1
SIL-100-02
J2
PN2222A
Q4
10
9
8
R19
1k
R1
1
2
6.8k
R2
1
2k
R4J
Anexo C. Planos de la estación base.
176
177
178
Anexo D. Código en C ccs correspondiente a la estación base.
//===================================================================
============//
//===================================================================
============//
//|
PROYECTO DE GRADO
|//
//|
CITOFONIA INALAMBRICA
|//
//|
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA
|//
//| INTEGRANTES:
|//
//|
|//
//| * ALEJANDRO PRECIADO R. COD: 20061164008
|//
//| * ELKIN YESID LOPEZ R. COD: 20061164012
|//
//| * GIOVANNI MENDEZ M.
COD: 20061164021
|//
//|
BOGOTA. 2011
|//
// -------------------------------------------------------------------------#include <16F877a.h>
#fuses XT,NOWDT,NOPROTECT,NOLVP
#use delay(clock= 4000000)
#use rs232(baud=1200, xmit=pin_c6, rcv=pin_c7, bits=8, parity=N)
#use standard_io(a)
#use standard_io(c)
#BYTE PORTC=0X07
#BYTE TRISC=0X87
#include <lcd.c>
#include <kbd.c>
#include <stdlib.h>
#include <tones.c>
#rom 0x2100={'2','0','1','2','3','4','0'} //Posición 0,1 y 2 de la Eeprom con los datos…
void main() {
char k;
int i;
char data[3], clave[7]; //Matrices para guardar clave y datos
output_high(pin_c0);
output_high(pin_c1);
output_high(pin_c2);
output_high(pin_c3);
lcd_init();
179
kbd_init();
port_b_pullups(TRUE);
while (TRUE) {
i=0;
//posición de la matriz
printf(lcd_putc,"\f ..INTERCOM..@ \n");
while(i<=2){
//Para tres datos
k=kbd_getc();
//Lee el teclado
if (k!=0)
//Si se ha pulsado alguna tecla
{data[i]=k;
//se guarda en la posición correspondiente
i++;
//de la matriz
lcd_putc(k);
delay_ms(800);
}
//Siguiente dato
}
////////////////////////CASA # 1 ////////////////////////////////
for (i=0;i<=7;i++) {
clave[i]=read_eeprom(i);}
//lee eeprom
if ((data[0]==clave[0])&&(data[1]==clave[1])&&(data[2]==clave[2]))
{ printf(lcd_putc,"\f LLAMANDO CASA 1");
output_high(pin_d1);
//llamada establecida
PUTC(0xFA);
PUTC(0xFA);
PUTC(0xFA);
PUTC(0xFA);
PUTC(0xFA);
PUTC(0xFA);
PUTC(0xFA);
PUTC(0xFA);
PUTC(0xFA);
PUTC(0xFA);
PUTC(0xFA);
PUTC(0xFA);
PUTC(0xFA);
PUTC(0xFA);
PUTC(0xFA);
//envio de datos
PUTC(0xFA);
PUTC(0xFA);
PUTC(0xFA);
PUTC(0xFA);
PUTC(0xFA);
PUTC(0xFA);
PUTC(0xFA);
180
PUTC(0xFA);
PUTC(0xFA);
PUTC(0xFA);
PUTC(0xFA);
PUTC(0xFA);
PUTC(0xFA);
PUTC(0xFA);
PUTC(0xFA);
PUTC(0xFA);
PUTC(0xFA);
PUTC(0xFA);
output_low(pin_d1);
while(TRUE){
delay_ms(2000);
printf(lcd_putc,"\f
CASA 1 ");//visualiza a que casa se esta llamando
output_high(pin_d0);
output_high(pin_d1);
printf(lcd_putc,"\n Tiempo 60 seg ");// muestra tiempo de llamada
delay_ms(30000);
printf(lcd_putc,"\n Tiempo 30 seg ");
delay_ms(20000);
printf(lcd_putc,"\n Tiempo 10 seg ");
delay_ms(5000);
printf(lcd_putc,"\n Tiempo 5 seg ");
delay_ms(5000);
printf(lcd_putc,"\n FIN LLAMADA ");//Finalizacion de llamada,se muesta en la LCD
output_low(pin_d0);
output_low(pin_d1);
//Desactiva microfono y parlante
while(true){
k=kbd_getc();
if(k!=0){
if(k=='*')
output_low(pin_d2);
output_low(pin_d2);
output_high(pin_d2);
output_low(pin_d2);
}
}
}
}
//pregunta por el teclado para reiniciar el sistema
/////////////////////////////CASA # 2 ///////////////////////////////////////
181
else
for (i=0;i<=7;i++) {
clave[i]=read_eeprom(i);}
//lee eeprom
if ((data[0]==clave[0])&&(data[1]==clave[1])&&(data[2]==clave[3]))
{ printf(lcd_putc,"\f LLAMANDO CASA 2 ");
output_high(pin_d1);
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
//llamada establecida
//envio de datos
182
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
PUTC(0xC5);
output_low(pin_d1);
while(TRUE){
delay_ms(2000);
printf(lcd_putc,"\f CASA 2 ");//visualiza a que casa se esta llamando
output_high(pin_d0);
output_high(pin_d1);
printf(lcd_putc,"\n Tiempo 60 seg ");// muestra tiempo de llamada
delay_ms(30000);
printf(lcd_putc,"\n Tiempo 30 seg ");
delay_ms(20000);
printf(lcd_putc,"\n Tiempo 10 seg ");
delay_ms(5000);
printf(lcd_putc,"\n Tiempo 5 seg ");
delay_ms(5000);
printf(lcd_putc,"\n FIN LLAMADA ");//Finalizacion de llamada,se muesta en la LCD
output_low(pin_d0);
//Desactiva microfono y parlante
output_low(pin_d1);
while(true){
k=kbd_getc();
if(k!=0){
//pregunta por el teclado para reiniciar el sistema
if(k=='*')
output_low(pin_d2);
output_low(pin_d2);
output_high(pin_d2);
output_low(pin_d2);
}
}
}
}
///////////////////// CASA # 3 ///////////////////////////////////////
else
for (i=0;i<=7;i++) {
clave[i]=read_eeprom(i);}
//lee eeprom
if ((data[0]==clave[0])&&(data[1]==clave[1])&&(data[2]==clave[4]))
{ printf(lcd_putc,"\f LLAMANDO CASA 3 ");
183
output_high(pin_d1);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
PUTC(0xF5);
//llamada establecida
//envio de datos
184
output_low(pin_d1);
while(TRUE){
delay_ms(2000);
printf(lcd_putc,"\f CASA 3 ");//visualiza a que casa se esta llamando
output_high(pin_d0);
output_high(pin_d1);
printf(lcd_putc,"\n Tiempo 60 seg ");// muestra tiempo de llamada
delay_ms(30000);
printf(lcd_putc,"\n Tiempo 30 seg ");
delay_ms(20000);
printf(lcd_putc,"\n Tiempo 10 seg ");
delay_ms(5000);
printf(lcd_putc,"\n Tiempo 5 seg ");
delay_ms(5000);
printf(lcd_putc,"\n FIN LLAMADA ");//Finalizacion de llamada,se muesta en la LCD
output_low(pin_d0);
//Desactiva microfono y parlante
output_low(pin_d1);
while(true){
k=kbd_getc();
//pregunta por el teclado para reiniciar el sistema
if(k!=0){
if(k=='*')
output_low(pin_d2);
output_low(pin_d2);
output_high(pin_d2);
output_low(pin_d2);
}
}
}
}
//////////////////////////// CASA 4 ///////////////////////////
else
for (i=0;i<=7;i++) {
//Pasa datos de eeprom a la matriz clave
clave[i]=read_eeprom(i);}
if ((data[0]==clave[0])&&(data[1]==clave[1])&&(data[2]==clave[5]))
{ printf(lcd_putc,"\f LLAMANDO CASA 4 ");
output_high(pin_d1);
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
185
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
PUTC(0xF0);
//envio de datos
output_low(pin_d1);
while(TRUE){
delay_ms(2000);
printf(lcd_putc,"\f CASA 4 ");//visualiza a que casa se esta llamando
output_high(pin_d0);
186
output_high(pin_d1);
printf(lcd_putc,"\n Tiempo 60 seg ");// muestra tiempo de llamada
delay_ms(30000);
printf(lcd_putc,"\n Tiempo 30 seg ");
delay_ms(20000);
printf(lcd_putc,"\n Tiempo 10 seg ");
delay_ms(5000);
printf(lcd_putc,"\n Tiempo 5 seg ");
delay_ms(5000);
printf(lcd_putc,"\n FIN LLAMADA ");//Finalizacion de llamada,se muesta en la LCD
output_low(pin_d0);
output_low(pin_d1);
while(true){
k=kbd_getc();
if(k!=0){
if(k=='*')
output_low(pin_d2);
output_low(pin_d2);
output_high(pin_d2);
output_low(pin_d2);
}
}
}
}
}
//pregunta por el teclado para reiniciar el sistema
}
Código en C ccs correspondiente a las extensiones
// -------------------------------------------------------------------------//|
PROYECTO DE GRADO
//|
CITOFONIA INALAMBRICA
//|
UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA
//| INTEGRANTES:
|
//|
|
//| * ALEJANDRO PRECIADO R. COD: 20061164008
//| * ELKIN YESID LOPEZ R. COD: 20061164012
187
|
|
|
|
|
//| * GIOVANNI MENDEZ M.
COD: 20061164021
//|
BOGOTA. 2011
|
// -------------------------------------------------------------------------#include <16F877a.h>
#fuses NOWDT,NOPROTECT,NOLVP,NODEBUG,XT
#use delay(clock=4000000)
#use rs232(baud=1200,parity=N,xmit=PIN_C6,rcv=PIN_C7,bits=8)
#include <tones.c>
int valor;
void main() {
output_high(pin_c0);
output_high(pin_c1);
output_high(pin_c2);
output_high(pin_c3);
while (true){
while(true){
if(kbhit())
{
valor=getc();
if(valor==0xE0)
{
// cucaracha
// establece la misma frecuencia de la Base
// Obtiene dato en RX
//Pregunta por el dato para generar melodia
generate_tone(262,200);//do
generate_tone(262,200);//do
generate_tone(262,200);//do
generate_tone(349,200);//fa
generate_tone(440,200);//la
generate_tone(262,200);//do
generate_tone(262,200);//do
generate_tone(262,200);//do
generate_tone(349,200);//fa
generate_tone(440,200);//la
generate_tone(349,200);//fa
generate_tone(349,200);//fa
generate_tone(330,200);//mi
generate_tone(330,200);//mi
delay_ms(100);
// Melodia de timbre
output_low(pin_b7);
output_low(pin_b7);
188
|
delay_ms(50);
output_high(pin_b7);
}
if(valor==0x0F)//205-203-202 //pregunta por el dato, si no corresponde al de la extension
ocupa el sistema
{
while(true)
{
output_low(pin_E0);
//desactiva parlantes y cambia de frecuencia
output_low(pin_d0);
output_low(pin_d1);
output_high(pin_d3);
//led indicador del sistema ocupado
output_low(pin_c0);
output_high(pin_c1);
output_high(pin_c2);
output_high(pin_c3);
while(true)
{
delay_ms(61000);
// Da tiempo para estar fuera de frecuencia
output_high(pin_c0);
output_high(pin_c1);
output_high(pin_c2); //vuelve a establecer frecuencia
output_high(pin_c3);
delay_ms(1500);
output_low(pin_b7);
output_low(pin_b7);
delay_ms(50);
output_high(pin_b7);
output_low(pin_d3); //led indicador del sistema libre
}
}
}
if(valor==0x3D)//205-203-202//pregunta por el dato, si no corresponde al de la extension
ocupa el sistema
{
while(true)
{
output_low(pin_E0);//desactiva parlantes y cambia de frecuencia
output_low(pin_d0);
output_low(pin_d1);
output_high(pin_d3);//led indicador del sistema ocupado
output_low(pin_c0);
output_high(pin_c1);
189
output_high(pin_c2);
output_high(pin_c3);
while(true)
{
delay_ms(61000);// Da tiempo para estar fuera de frecuencia
output_high(pin_c0);
output_high(pin_c1);
output_high(pin_c2);//vuelve a establecer frecuencia
output_high(pin_c3);
delay_ms(1500);
output_low(pin_b7);
output_low(pin_b7);
delay_ms(50);
output_high(pin_b7);
output_low(pin_d3);//led indicador del sistema libre
}
}
}
if(valor==0x71)//205-203-202//pregunta por el dato, si no corresponde al de la extension
ocupa el sistema
{
while(true)
{
output_low(pin_E0);//desactiva parlantes y cambia de frecuencia
output_low(pin_d0);
output_low(pin_d1);
output_high(pin_d3);//led indicador del sistema ocupado
output_low(pin_c0);
output_high(pin_c1);
output_high(pin_c2);
output_high(pin_c3);
while(true)
{
delay_ms(61000);// Da tiempo para estar fuera de frecuencia
output_high(pin_c0);
output_high(pin_c1);
output_high(pin_c2);//vuelve a establecer frecuencia
output_high(pin_c3);
delay_ms(1500);
output_low(pin_b7);
output_low(pin_b7);
delay_ms(50);
output_high(pin_b7);
190
output_low(pin_d3);//led indicador del sistema libre
}
}
}
}
while (true)
{
if (input(pin_b0)==1)
{
while(true){
output_high(pin_d0);
output_high(pin_d1);
output_high(pin_B2);
delay_ms(5000);
if(input(pin_b0)==0)
{
output_high(pin_B2);
output_low(pin_b7);
output_low(pin_b7);
output_low(pin_b7);
output_low(pin_b7);
delay_ms(50);
output_high(pin_b7);
}
delay_ms(25000);
if(input(pin_b0)==0)// pregunta si se descolgo y activa indicador
{
output_high(pin_B2);
output_low(pin_b7);
output_low(pin_b7);
output_low(pin_b7);
output_low(pin_b7);
delay_ms(50);
output_high(pin_b7);
}
delay_ms(31000);
}
191
}
else
break;
}
}
}
}
192
INTERCOM
Guía del usuario
Intercomunicador inalámbrico tipo radiofrecuencia.
Comunicación Full Dúplex para hogares y empresas.
Alejandro Preciado Romero, Elkin Yesid López Rubiano, José
Giovanni Méndez Murillo
2011
193
TABLA DE CONTENIDO
ACERCA DEL INTERCOM
195
ESPECIFICACIONES
195
CONTENIDO
196
PRECAUCIONES
198
INDICADORES Y CONTROLES
199
INDICADORES Y CONTROLES DE LA ESTACIÓN BASE.
199
INDICADORES DE LA EXTENSIÓN REMOTA.
200
INSTALACIÓN DEL INTERCOM
200
INSTALACIÓN DE LA ESTACIÓN BASE.
200
INSTALACIÓN DE LA EXTENSIÓN REMOTA.
203
HACIENDO Y CONTESTANDO LLAMADAS
206
HACIENDO LLAMADAS DESDE LA ESTACIÓN BASE.
206
CONTESTANDO LA EXTENSIÓN REMOTA.
207
GUÍA DE RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS
194
207
10. ACERCA DEL INTERCOM
El INTERCOM se usa como un intercomunicador inalámbrico para comunicar la
portería del edificio con cualquier lugar en su interior. Este se compone de dos
parte principales: estación base, que es la unidad principal de comunicación y la
extensión, la cual es la unidad de comunicación remota. Al utilizar el teclado
numérico del INTERCOM, se llama desde la estación base a su extensión,
comunicándose con la zona de anuncio asignada por el usuario.
La realización de una llamada desde la estación base hacia la extensión establece
una comunicación bilateral.
Adicionalmente, se pueden instalar hasta
4 extensiones adicionales por cada
base.
11. ESPECIFICACIONES
•
Dimensiones:
-
Estación base: 210 mm x 101 mm x 248 mm (Ancho x Alto x Profundidad).
-
Extensión remota: 145 mm x 51 mm x 194 mm (Ancho x Alto x Profundidad)
•
Alimentación: 110-120 V CA.
•
Tipo de transmisión: Inalámbrica.
•
Tecnología de transmisión: Radio frecuencia (RF), Frecuencia Modulada (FM).
195
12. CONTENIDO
1. Estación base del intercomunicador con auricular.
2. Extensión remota del intercomunicador con auricular y soporte para este.
Auricular
+
Extensión
Soporte
remota
3. 2 adaptadores de CA.
196
4. 2 antenas de larga distancia GU-82GC.
5. 2 antenas de corta distancia.
6. Cable RJ45.
7. Guía del usuario.
197
13. PRECAUCIONES
•
Debe utilizarse para la instalación únicamente los accesorios suministrados.
•
No intente conectar el equipo a una toma de alimentación durante una
tormenta.
•
El equipo no permitirá hacer llamadas en los siguientes casos:
-
Si se produce un corte de corriente.
-
Si se utiliza cerca de otros equipos que produzcan interferencias
electromagnéticas.
-
Si se vinculan varias extensiones remotas a la misma estación base y una
de ellas está en uso las demás no podrán realizar la comunicación.
•
No debe intentarse abrir ninguna de las unidades (ni estación base ni
extensión) ya que podrían producirse daños irreparables en su funcionamiento.
•
Este equipo no debe utilizarse cerca de equipos médicos de emergencia o de
cuidados intensivos ni por personas con marcapasos.
198
•
El equipo debe mantenerse alejado de vibraciones mecánicas, descargas
eléctricas, polvo, humo, excesivo calor, lluvia, y excesiva humedad.
•
Debe tenerse cuidado de no derramar ningún tipo de líquido en cualquiera de
los componentes suministrados.
•
No debe dejarse caer el equipo ni someterse a golpes fuertes.
14. INDICADORES Y CONTROLES
14.1 Indicadores y controles de la estación base.
La estación base posee tres tipos de indicadores LED que se encienden o apagan
según el estado de esta o según las funciones que esté realizando:
•
LED verde encendido: indica que la estación base se encuentra encendida.
•
LED verde apagado: indica que la estación base se encuentra apagada.
•
Teclado numérico: se utiliza para realizar llamadas desde la estación basa
hacia la extensión remota digitando el código de esta.
•
Pantalla LCD: sirve como display informativo, indica el estado en que se
encuentra la comunicación (transmisión y recepción).
199
14.2 Indicadores de la extensión remota.
La extensión remota posee dos tipos de indicadores LED que se encienden o
apagan según el estado de esta o según las funciones que esté realizando.
Además poseen un indicador sonoro:
•
LED rojo encendido: indica el estado ocupado, por tanto la comunicación se
encuentra activa en una o más de las otras extensiones remotas de la red.
•
LED rojo apagado: indica el estado desocupado, es decir que no hay ninguna
comunicación activa en ninguna extensión.
•
LED blanco encendido: indica que el auricular se encuentra descolgado.
•
LED blanco apagado: esto significa que el auricular se encuentra en posición
normal (colgado).
•
Indicador sonoro: es el timbre de la extensión remota el cual anuncia la
llamada entrante.
15. INSTALACIÓN DEL INTERCOM
15.1 Instalación de la estación base.
1. Conecte el adaptador de alimentación suministrado a la estación base y a una
toma de CA de 110-120 V.
200
Clavija de alimentación de
CA.
Elija preferiblemente una toma cercana y de fácil acceso cercana al lugar de
instalación.
2. Conecte el cable del auricular al conector respectivo de la base.
3. Conecte la antena suministrada en el conector de transmisión recepción
enroscándolo suavemente.
201
El sistema se suministra con dos tipos de antena, una de corto alcance y otra
de largo alcance que se puede utilizar si la recepción es defectuosa.
4. Para encender la unidad presione suavemente el interruptor de encendido y
póngalo en la posición de activado.
5. Si desea apagar la unidad ubique el interruptor en su posición de apagado.
202
15.2 Instalación de la extensión remota.
1. Conecte el adaptador de alimentación suministrado a la extensión remota del
INTERCOM y la clavija a una toma de alimentación de CA de 110-120 V.
Clavija de alimentación de
CA.
2. Conecte la antena suministrada en el conector de transmisión-recepción
enroscándola suavemente.
203
3. Conecte el auricular al soporte.
4. Posteriormente enchufe el cable RJ45 al soporte y a la extensión remota.
204
5. Para encender la extensión remota presione suavemente el interruptor de
encendido y póngalo en la posición de activado. El LED indicador verde debe
encenderse.
6. Si desea apagar la unidad ubique el interruptor en su posición de apagado
nuevamente. El LED indicador verde deberá apagarse.
205
16. HACIENDO Y CONTESTANDO LLAMADAS
16.1 Haciendo llamadas desde la estación base.
Para hacer llamadas desde la estación base solo tiene que levantar el auricular y
oprimir la tecla asterisco (*); una vez hecho esto solo tiene que digitar el número
de la extensión remota correspondiente. La llamada se habilitará y la información
del destino de llamada aparecerá en la pantalla LCD.
206
Si la conexión en la comunicación es exitosa se escuchará el tono de repique a
través del auricular.
16.2 Contestando la extensión remota.
Si la extensión remota emite el sonido de timbre significa que hay una llamada
entrante procedente de la estación base. Solo basta con levantar el auricular para
contestar la llamada y comenzar la comunicación bidireccional. No se pueden
realizar llamadas desde la extensión remota hacia la estación base.
17. GUÍA DE RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS
El indicador LED de corriente no enciende:
207
1. Compruebe que tanto la clavija de conexión de entrada AC del adaptador
como el conector que suministra alimentación al intercomunicador a través
del cable, están firmemente conectados.
2. Verifique que hay suministro de energía en la edificación; para ello puede
encender alguna de las fuentes de iluminación o algún otro aparato
eléctrico en la habitación.
No puedo escuchar a mi interlocutor con claridad:
1. Asegúrese de sostener adecuadamente el auricular y en la posición
correcta sobre el oído.
2. Verifique que el conector de la antena se encuentre firmemente enroscada
en la conexión del intercomunicador.
3. Revise la conexión del auricular con la base del intercomunicador.
4. Solicite (en lo posible) a su interlocutor que verifique la comunicación en el
otro intercomunicador.
5. Si el volumen bajo persiste cambie la posición del intercomunicador
girándolo levemente o pruebe cambiando el lugar de instalación.
Mi interlocutor no puede escucharme con claridad:
1. Asegúrese de sostener adecuadamente el auricular y en la posición
correcta para que su voz llegue al micrófono que este posee.
2. Verifique que el conector de la antena se encuentre firmemente enroscada
en la conexión del intercomunicador.
3. Revise la conexión del auricular con la base del intercomunicador.
208
4. Solicite (en lo posible) a su interlocutor que verifique la comunicación en el
otro intercomunicador.
5. Si el problema persiste cambie la posición del intercomunicador girándolo
levemente o pruebe cambiando el lugar de instalación.
NOTAS DEL USUARIO
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
___________________________________
209
Alejandro Preciado Romero
alejo7936@hotmail.com
Elkin Yesid López Rubiano
elkinrubiano@gmail.com
José Giovanni Méndez Murillo
jgmendez_2010@yahoo.com
INTERCOM
Bogotá, Colombia
2011
210
