Principios de comunicación - Guía rápida

La palabra comunicación surge de la palabra latina "commūnicāre", que significa "compartir". La comunicación es el paso básico para el intercambio de información.

Por ejemplo, un bebé en una cuna, se comunica con un llanto que necesita a su madre. Una vaca muge ruidosamente cuando está en peligro. Una persona se comunica con la ayuda de un idioma. La comunicación es el puente para compartir.

Communication se puede definir como el proceso de intercambio de información a través de medios como palabras, acciones, signos, etc., entre dos o más individuos.

Necesidad de comunicación

Para cualquier ser vivo, mientras coexiste, se da la necesidad de intercambiar alguna información. Siempre que surja una necesidad de intercambio de información, debe existir algún medio de comunicación. Si bien el medio de comunicación puede ser cualquier cosa, como gestos, signos, símbolos o un lenguaje, la necesidad de comunicación es inevitable.

El lenguaje y los gestos juegan un papel importante en la comunicación humana, mientras que los sonidos y las acciones son importantes para la comunicación animal. Sin embargo, cuando se debe transmitir algún mensaje, se debe establecer una comunicación.

Partes del sistema de comunicación

Cualquier sistema que proporcione comunicación consta de las tres partes importantes y básicas que se muestran en la siguiente figura.

  • los Senderes la persona que envía un mensaje. Podría ser una estación transmisora ​​desde donde se transmite la señal.

  • los Channel es el medio a través del cual viajan las señales del mensaje para llegar al destino.

  • los Receiveres la persona que recibe el mensaje. Podría ser una estación receptora donde se recibe la señal transmitida.

¿Qué es una señal?

Transmitir una información por algún medio, como gestos, sonidos, acciones, etc., puede denominarse signaling. Por tanto, una señal puede ser unasource of energy which transmits some information. Esta señal ayuda a establecer la comunicación entre un remitente y un receptor.

Un impulso eléctrico o una onda electromagnética que viaja una distancia para transmitir un mensaje, se puede denominar como signal en sistemas de comunicación.

Según sus características, las señales se clasifican principalmente en dos tipos: analógicas y digitales. Las señales analógicas y digitales se clasifican además, como se muestra en la siguiente figura.

Señal analoga

Una señal continua variable en el tiempo, que representa una cantidad variable en el tiempo, puede denominarse Analog Signal. Esta señal sigue variando con respecto al tiempo, según los valores instantáneos de la magnitud que la representa.

Ejemplo

Consideremos, un grifo que llena un tanque de 100 litros de capacidad en una hora (6 am a 7 am). La porción de llenado del tanque varía según el tiempo variable. Lo que significa que después de 15 minutos (6:15 a. M.) Se llena la cuarta parte del tanque, mientras que a las 6:45 a. M., Se llena 3/4 del tanque.

Si intenta trazar las diferentes porciones de agua en el tanque, de acuerdo con el tiempo variable, se vería como la siguiente figura.

Como el resultado que se muestra en esta imagen varía (aumenta) según el tiempo, este time varying quantitypuede entenderse como cantidad analógica. La señal que representa esta condición con una línea inclinada en la figura, es unaAnalog Signal. La comunicación basada en señales analógicas y valores analógicos se denomina comoAnalog Communication.

Señal digital

Una señal que es de naturaleza discreta o que no es continua en forma puede denominarse Digital signal. Esta señal tiene valores individuales, denotados por separado, que no se basan en los valores anteriores, como si se derivaran en ese instante particular de tiempo.

Ejemplo

Consideremos un salón de clases con 20 estudiantes. Si se grafica su asistencia en una semana, se vería como la siguiente figura.

En esta figura, los valores se indican por separado. Por ejemplo, la asistencia a la clase el miércoles es 20 mientras que el sábado es 15. Estos valores se pueden considerar individual y separadamente o discretamente, de ahí que se denominen comodiscrete values.

Los dígitos binarios que tienen solo 1 y 0 se denominan en su mayoría como digital values. Por lo tanto, las señales que representan unos y ceros también se denominandigital signals. La comunicación basada en señales digitales y valores digitales se denomina comoDigital Communication.

Señal periódica

Cualquier señal analógica o digital, que repite su patrón durante un período de tiempo, se denomina como Periodic Signal. Esta señal tiene su patrón continuo repetidamente y es fácil de asumir o calcular.

Ejemplo

Si consideramos una maquinaria en una industria, el proceso que se lleva a cabo uno tras otro es un procedimiento continuo y repetido. Por ejemplo, adquirir y clasificar la materia prima, procesar el material en lotes, empacar una carga de productos uno tras otro, etc., sigue un cierto procedimiento repetidamente.

Dicho proceso, ya sea que se considere analógico o digital, se puede representar gráficamente de la siguiente manera.

Señal aperiódica

Cualquier señal analógica o digital, que no repite su patrón durante un período de tiempo, se denomina como Aperiodic Signal. Esta señal tiene su patrón continuo pero el patrón no se repite y no es tan fácil de asumir o calcular.

Ejemplo

La rutina diaria de una persona, si se considera, consiste en muchos tipos de trabajos que toman diferentes intervalos de tiempo para diferentes trabajos. El intervalo de tiempo o el trabajo no se repite continuamente. Por ejemplo, una persona no se cepilla los dientes continuamente desde la mañana hasta la noche, eso también con el mismo período de tiempo.

Dicho proceso, ya sea que se considere analógico o digital, se puede representar gráficamente de la siguiente manera.

En general, las señales que se utilizan en los sistemas de comunicación son de naturaleza analógica, que se transmiten en analógico o se convierten a digitales y luego se transmiten, según los requisitos.

Pero para que una señal se transmita a distancia, sin el efecto de interferencias externas o adición de ruido y sin desvanecerse, tiene que someterse a un proceso llamado como Modulation, que se analiza en el próximo capítulo.

Una señal puede ser cualquier cosa como una onda de sonido que sale cuando gritas. Este grito solo se puede escuchar hasta cierta distancia. Pero para que la misma onda viaje a una larga distancia, necesitará una técnica que agregue fuerza a esta señal, sin alterar los parámetros de la señal original.

¿Qué es la modulación de señal?

Una señal portadora de mensajes debe transmitirse a distancia y, para que pueda establecer una comunicación confiable, debe contar con la ayuda de una señal de alta frecuencia que no debería afectar las características originales de la señal del mensaje.

Las características de la señal del mensaje, si se modifican, el mensaje que contiene también se modifica. De ahí que sea imprescindible cuidar la señal del mensaje. Una señal de alta frecuencia puede viajar hasta una distancia más larga sin verse afectada por perturbaciones externas. Tomamos la ayuda de una señal de alta frecuencia que se llama comocarrier signalpara transmitir nuestra señal de mensaje. Este proceso se denomina simplemente modulación.

Modulation es el proceso de cambiar los parámetros de la señal portadora, de acuerdo con los valores instantáneos de la señal moduladora.

Necesidad de modulación

Las señales de banda base son incompatibles para la transmisión directa. Para que una señal de este tipo viaje distancias más largas, su fuerza debe aumentarse modulando con una onda portadora de alta frecuencia, que no afecta los parámetros de la señal moduladora.

Ventajas de la modulación

La antena utilizada para la transmisión tenía que ser muy grande si no se introducía la modulación. El rango de comunicación se vuelve limitado ya que la onda no puede viajar a una distancia sin distorsionarse.

A continuación se presentan algunas de las ventajas de implementar la modulación en los sistemas de comunicación.

  • Se reduce el tamaño de la antena.
  • No se produce mezcla de señales.
  • Aumenta el rango de comunicación.
  • Se produce la multiplexación de señales.
  • Se permiten ajustes en el ancho de banda.
  • Mejora la calidad de la recepción.

Señales en el proceso de modulación

A continuación se muestran los tres tipos de señales en el proceso de modulación.

Mensaje o señal moduladora

La señal que contiene un mensaje a transmitir, se denomina como message signal. Es una señal de banda base, que debe someterse a un proceso de modulación para ser transmitida. Por lo tanto, también se le llama comomodulating signal.

Señal portadora

La señal de alta frecuencia que tiene una cierta fase, frecuencia y amplitud pero no contiene información, se llama carrier signal. Es una señal vacía. Solo se usa para llevar la señal al receptor después de la modulación.

Señal modulada

La señal resultante después del proceso de modulación, se denomina como modulated signal. Esta señal es una combinación de la señal moduladora y la señal portadora.

Tipos de modulación

Hay muchos tipos de modulaciones. Dependiendo de las técnicas de modulación utilizadas, se clasifican como se muestra en la siguiente figura.

Los tipos de modulaciones se clasifican ampliamente en modulación de onda continua y modulación de pulso.

Modulación de onda continua

En la modulación de onda continua, se utiliza una onda sinusoidal de alta frecuencia como onda portadora. Esto se divide además en modulación de amplitud y ángulo.

  • Si la amplitud de la onda portadora de alta frecuencia se varía de acuerdo con la amplitud instantánea de la señal moduladora, entonces dicha técnica se denomina como Amplitude Modulation.

  • Si se varía el ángulo de la onda portadora, de acuerdo con el valor instantáneo de la señal moduladora, entonces dicha técnica se denomina como Angle Modulation.

      La modulación de ángulo se divide además en modulación de frecuencia y fase.

    • Si se varía la frecuencia de la onda portadora, de acuerdo con el valor instantáneo de la señal moduladora, entonces dicha técnica se denomina como Frequency Modulation.

    • Si la fase de la onda portadora de alta frecuencia se varía de acuerdo con el valor instantáneo de la señal moduladora, entonces dicha técnica se denomina como Phase Modulation.

Modulación de pulsos

En la modulación de pulsos, se utiliza una secuencia periódica de pulsos rectangulares como onda portadora. Esto se divide a su vez en modulación analógica y digital.

En analog modulation técnica, si la amplitud, duración o posición de un pulso se varía de acuerdo con los valores instantáneos de la señal de modulación de banda base, entonces dicha técnica se denomina como Pulse Amplitude Modulation (PAM) o Pulse Duration/Width Modulation (PDM/PWM)o Pulse Position Modulation (PPM).

En digital modulation, la técnica de modulación utilizada es Pulse Code Modulation (PCM)donde la señal analógica se convierte en forma digital de unos y ceros. Como el resultado es un tren de pulsos codificado, esto se denomina PCM. Esto se desarrolla aún más comoDelta Modulation (DM), que se analizará en capítulos posteriores. Por lo tanto, PCM es una técnica en la que las señales analógicas se convierten en una forma digital.

En cualquier sistema de comunicación, durante la transmisión de la señal, o durante la recepción de la señal, se introduce alguna señal no deseada en la comunicación, lo que la vuelve desagradable para el receptor, cuestionando la calidad de la comunicación. Tal perturbación se llamaNoise.

¿Qué es el ruido?

El ruido es un unwanted signalque interfiere con la señal del mensaje original y corrompe los parámetros de la señal del mensaje. Esta alteración en el proceso de comunicación, lleva a alterar el mensaje. Es más probable que se ingrese en el canal o en el receptor.

La señal de ruido se puede entender observando el siguiente ejemplo.

Por tanto, se entiende que el ruido es una señal que no tiene patrón y no tiene frecuencia o amplitud constante. Es bastante aleatorio e impredecible. Por lo general, se toman medidas para reducirlo, aunque no se puede eliminar por completo.

Los ejemplos más comunes de ruido son:

  • Hiss sonido en receptores de radio

  • Buzz Sonido en medio de conversaciones telefónicas

  • Flicker en receptores de televisión, etc.

Efectos del ruido

El ruido es una característica incómoda que afecta el rendimiento del sistema. A continuación se muestran los efectos del ruido.

El ruido limita el rango operativo de los sistemas

El ruido limita indirectamente la señal más débil que puede ser amplificada por un amplificador. El oscilador en el circuito del mezclador puede limitar su frecuencia debido al ruido. El funcionamiento de un sistema depende del funcionamiento de sus circuitos. El ruido limita la señal más pequeña que un receptor es capaz de procesar.

El ruido afecta la sensibilidad de los receptores

La sensibilidad es la cantidad mínima de señal de entrada necesaria para obtener la calidad de salida especificada. El ruido afecta la sensibilidad de un sistema receptor, lo que eventualmente afecta la salida.

Tipos de ruido

La clasificación del ruido se realiza en función del tipo de fuente, el efecto que muestra o la relación que tiene con el receptor, etc.

Hay dos formas principales de producir ruido. Uno es a través de algunosexternal source mientras que el otro es creado por un internal source, dentro de la sección del receptor.

Fuente externa

Este ruido es producido por las fuentes externas que pueden ocurrir en el medio o canal de comunicación, generalmente. Este ruido no se puede eliminar por completo. La mejor forma es evitar que el ruido afecte la señal.

Ejemplos

Los ejemplos más comunes de este tipo de ruido son:

  • Ruido atmosférico (debido a irregularidades en la atmósfera).

  • Ruido extraterrestre, como el ruido solar y el ruido cósmico.

  • Ruido industrial.

Fuente interna

Este ruido es producido por los componentes del receptor durante su funcionamiento. Los componentes de los circuitos, debido al funcionamiento continuo, pueden producir pocos tipos de ruido. Este ruido es cuantificable. Un diseño de receptor adecuado puede reducir el efecto de este ruido interno.

Ejemplos

Los ejemplos más comunes de este tipo de ruido son:

  • Ruido de agitación térmica (ruido de Johnson o ruido eléctrico).

  • Ruido de disparo (debido al movimiento aleatorio de electrones y huecos).

  • Ruido del tiempo de tránsito (durante la transición).

  • El ruido misceláneo es otro tipo de ruido que incluye parpadeo, efecto de resistencia y ruido generado por el mezclador, etc.

Relación señal a ruido

Signal-to-Noise Ratio (SNR) es el ratio of the signal power to the noise power. Cuanto mayor sea el valor de SNR, mayor será la calidad de la salida recibida.

La relación señal-ruido en diferentes puntos se puede calcular utilizando las siguientes fórmulas:

$$ Entrada \: SNR = (SNR) _I = \ frac {Promedio \: potencia \: de \: señal \: moduladora} {Promedio \: potencia \: de \: ruido \: en \: entrada} $$

$$ Salida \: SNR = (SNR) _O = \ frac {Promedio \: potencia \: de \: señal \: demodulada} {Promedio \: potencia \: de \: ruido \: en \: salida} $$

Figura de mérito

La relación de output SNR to the input SNR puede denominarse como el Figure of merit (F). Se denota porF. Describe el rendimiento de un dispositivo.

$$ F = \ frac {(SNR) _O} {(SNR) _I} $$

La figura de mérito de un receptor es:

$$ F = \ frac {(SNR) _O} {(SNR) _C} $$

Es así porque para un receptor, el canal es la entrada.

Para analizar una señal, debe estar representada. Esta representación en los sistemas de comunicación es de dos tipos:

  • Representación en el dominio de la frecuencia y
  • Representación en el dominio del tiempo.

Considere dos señales con frecuencias de 1 kHz y 2 kHz. Ambos están representados en el dominio del tiempo y la frecuencia, como se muestra en la siguiente figura.

El análisis en el dominio del tiempo da el comportamiento de la señal durante un cierto período de tiempo. En el dominio de la frecuencia, la señal se analiza como una función matemática con respecto a la frecuencia.

La representación en el dominio de la frecuencia es necesaria cuando se realiza el procesamiento de la señal, como el filtrado, la amplificación y la mezcla.

Por ejemplo, si se considera una señal como la siguiente, se entiende que hay ruido en ella.

La frecuencia de la señal original puede ser de 1 kHz, pero se desconoce el ruido de cierta frecuencia que corrompe esta señal. Sin embargo, cuando la misma señal se representa en el dominio de la frecuencia, utilizando un analizador de espectro, se traza como se muestra en la siguiente figura.

Aquí, podemos observar algunos armónicos, que representan el ruido introducido en la señal original. Por tanto, la representación de la señal ayuda a analizar las señales.

El análisis del dominio de la frecuencia ayuda a crear los patrones de onda deseados. Por ejemplo, los patrones de bits binarios en una computadora, los patrones de Lissajous en un CRO, etc. El análisis en el dominio del tiempo ayuda a comprender dichos patrones de bits.

Entre los tipos de técnicas de modulación, la clasificación principal es la modulación de onda continua y la modulación de pulsos. Las técnicas de modulación de onda continua se dividen además enAmplitude Modulation y Angle Modulation.

Una onda continua pasa continuamente sin intervalos y es la señal del mensaje de banda base la que contiene la información. Esta onda debe modularse.

Según la definición estándar, "La amplitud de la señal portadora varía de acuerdo con la amplitud instantánea de la señal moduladora". Lo que significa que la amplitud de la señal portadora que no contiene información varía según la amplitud de la señal, en cada instante, que contiene información. Esto se puede explicar bien con las siguientes figuras.

La onda moduladora que se muestra primero es la señal de mensaje. La siguiente es la onda portadora, que es solo una señal de alta frecuencia y no contiene información. Mientras que el último es la onda modulada resultante.

Se puede observar que los picos positivos y negativos de la onda portadora, están interconectados con una línea imaginaria. Esta línea ayuda a recrear la forma exacta de la señal moduladora. Esta línea imaginaria en la onda portadora se llamaEnvelope. Es lo mismo que la señal de mensaje.

Expresión matemática

A continuación se muestra la expresión matemática de estas ondas.

Representación de las ondas en el dominio del tiempo

Sea la señal moduladora -

$$ m (t) = A_mcos (2 \ pi f_mt) $$

Sea la señal portadora -

$$ c (t) = A_ccos (2 \ pi f_ct) $$

Dónde Am = amplitud máxima de la señal moduladora

Ac = amplitud máxima de la señal portadora

La forma estándar de una onda de amplitud modulada se define como:

$$ S (t) = A_c [1 + K_am (t)] cos (2 \ pi f_ct) $$

$$ S (t) = A_c [1+ \ mu cos (2 \ pi f_mt)] cos (2 \ pi f_ct) $$

$$ Donde, \ mu = K_aA_m $$

Índice de modulación

Una onda portadora, después de ser modulada, si se calcula el nivel modulado, dicho intento se denomina como Modulation Index o Modulation Depth. Indica el nivel de modulación que experimenta una onda portadora.

Los valores máximo y mínimo de la envolvente de la onda modulada están representados por A max y A min respectivamente.

Intentemos desarrollar una ecuación para el índice de modulación.

$$ A_ {max} = A_c (1+ \ mu) $$

Dado que, en A max el valor de cos θ es 1

$$ A_ {min} = A_c (1- \ mu) $$

Dado que, en A min el valor de cos θ es -1

$$ \ frac {A_ {max}} {A_ {min}} = \ frac {1+ \ mu} {1- \ mu} $$

$$ A_ {max} - \ mu A_ {max} = A_ {min} + \ mu A_ {min} $$

$$ - \ mu (A_ {max} + A_ {min}) = A_ {min} -A_ {max} $$

$$ \ mu = \ frac {A_ {max} -A_ {min}} {A_ {max} + A_ {min}} $$

Por tanto, se obtiene la ecuación para el índice de modulación. µdenota el índice de modulación o la profundidad de modulación. Esto a menudo se denota en porcentaje llamadoPercentage Modulation. Es el grado de modulación denotado en porcentaje, y se denota porm.

Para una modulación perfecta, el valor del índice de modulación debe ser 1, lo que significa que la profundidad de modulación debe ser del 100%.

Por ejemplo, si este valor es menor que 1, es decir, el índice de modulación es 0.5, entonces la salida modulada se vería como la siguiente figura. Se llama submodulación. Tal ola se llama comounder-modulated wave.

Si el valor del índice de modulación es mayor que 1, es decir, 1,5 aproximadamente, entonces la onda será un over-modulated wave. Se vería como la siguiente figura.

A medida que aumenta el valor del índice de modulación, la portadora experimenta una inversión de fase de 180 °, lo que provoca bandas laterales adicionales y, por lo tanto, la onda se distorsiona. Esta onda sobremodulada provoca interferencias que no se pueden eliminar.

Ancho de banda de modulación de amplitud

El ancho de banda es la diferencia entre las frecuencias más bajas y más altas de la señal.

Para la onda de amplitud modulada, el ancho de banda viene dado por

$$ BW = f_ {USB} -f_ {LSB} $$

$$ (f_c + f_m) - (f_c-f_m) $$

$$ = 2f_m = 2W $$

Dónde W es el ancho de banda del mensaje

Por lo tanto, llegamos a saber que el ancho de banda requerido para la onda modulada en amplitud es el doble de la frecuencia de la señal moduladora.

En el proceso de modulación de amplitud o modulación de fase, la onda modulada consta de la onda portadora y dos bandas laterales. La señal modulada tiene la información en toda la banda excepto en la frecuencia portadora.

Banda lateral

UN Sidebandes una banda de frecuencias, que contiene potencia, que son las frecuencias más bajas y más altas de la frecuencia portadora. Ambas bandas laterales contienen la misma información. La representación de la onda modulada en amplitud en el dominio de la frecuencia es como se muestra en la siguiente figura.

Ambas bandas laterales de la imagen contienen la misma información. La transmisión de una señal de este tipo que contiene una portadora junto con dos bandas laterales, puede denominarse comoDouble Sideband Full Carrier sistema, o simplemente DSB-FC. Se traza como se muestra en la siguiente figura.

Sin embargo, dicha transmisión es ineficaz. Dos tercios de la energía se desperdician en el transportista, que no lleva información.

Si se suprime esta portadora y la energía ahorrada se distribuye a las dos bandas laterales, dicho proceso se denomina como Double Sideband Suppressed Carrier sistema, o simplemente DSBSC. Se traza como se muestra en la siguiente figura.

Ahora, tenemos una idea de que, dado que las dos bandas laterales llevan la misma información dos veces, ¿por qué no podemos suprimir una banda lateral? Si, esto es posible.

El proceso de suprimir una de las bandas laterales, junto con la portadora y transmitir una sola banda lateral se denomina Single Sideband Suppressed Carrier sistema, o simplemente SSB-SC o SSB. Se traza como se muestra en la siguiente figura.

Este sistema SSB-SC o SSB, que transmite una sola banda lateral tiene alta potencia, ya que la potencia asignada tanto para la portadora como para la otra banda lateral se utiliza para transmitir esta Single Sideband (SSB).

Por lo tanto, la modulación realizada con esta técnica SSB se denomina como SSB Modulation.

Modulación de banda lateral: ventajas

Las ventajas de la modulación SSB son:

  • El ancho de banda o el espacio de espectro ocupado es menor que las señales AM y DSB.

  • Se permite la transmisión de más señales.

  • Se ahorra energía.

  • Se puede transmitir una señal de alta potencia.

  • Hay menos ruido.

  • Es menos probable que se produzca un desvanecimiento de la señal.

Modulación de banda lateral: desventajas

Las desventajas de la modulación SSB son:

  • La generación y detección de la señal SSB es un proceso complejo.

  • La calidad de la señal se ve afectada a menos que el transmisor y el receptor SSB tengan una excelente estabilidad de frecuencia.

Modulación de banda lateral: aplicaciones

Las aplicaciones de la modulación SSB son:

  • Para requisitos de ahorro de energía y requisitos de ancho de banda bajo.

  • En comunicaciones móviles terrestres, aéreas y marítimas.

  • En comunicaciones punto a punto.

  • En radiocomunicaciones.

  • En televisión, telemetría y comunicaciones por radar.

  • En comunicaciones militares, como radioaficionados, etc.

En el caso de la modulación SSB, cuando se pasa una banda lateral a través de los filtros, es posible que el filtro de paso de banda no funcione perfectamente en la práctica. Como resultado de lo cual, parte de la información puede perderse.

Por lo tanto, para evitar esta pérdida, se elige una técnica, que es un compromiso entre DSB-SC y SSB, llamado Vestigial Sideband (VSB)técnica. La palabra vestigio que significa "una parte" de la que se deriva el nombre.

Banda lateral vestigial

Las dos bandas laterales no son necesarias para la transmisión, ya que es un desperdicio. Pero si se transmite una sola banda, conduce a la pérdida de información. Por tanto, esta técnica ha evolucionado.

Vestigial Sideband Modulation o VSB Modulation es el proceso donde una parte de la señal llamada como vestigese modula, junto con una banda lateral. Se puede trazar una señal VSB como se muestra en la siguiente figura.

Junto con la banda lateral superior, una parte de la banda lateral inferior también se transmite en esta técnica. Se coloca una banda de protección de un ancho muy pequeño a cada lado del VSB para evitar las interferencias. La modulación VSB se utiliza principalmente en transmisiones de televisión.

Ancho de banda de transmisión

El ancho de banda de transmisión de la onda modulada VSB se representa como:

$$ B = (f_ {m} + f_ {v}) Hz $$

Dónde,

fm = Ancho de banda del mensaje

fv = Ancho de la banda lateral vestigial

Modulación VSB: ventajas

Las siguientes son las ventajas de VSB:

  • Altamente eficiente.

  • Reducción del ancho de banda.

  • El diseño del filtro es fácil ya que no se necesita una alta precisión.

  • La transmisión de componentes de baja frecuencia es posible sin dificultad.

  • Posee buenas características de fase.

Modulación VSB - Desventajas

Las siguientes son las desventajas de VSB:

  • El ancho de banda en comparación con SSB es mayor.

  • La demodulación es compleja.

Modulación VSB - Aplicación

La aplicación más destacada y estándar de VSB es para la transmisión de television signals. Además, esta es la técnica más conveniente y eficiente cuando se considera el uso del ancho de banda.

El otro tipo de modulación en la modulación de onda continua es el Angle Modulation. La modulación de ángulo es el proceso en el que la frecuencia o la fase de la portadora varía según la señal del mensaje. Esto se divide a su vez en modulación de frecuencia y fase.

  • La modulación de frecuencia es el proceso de variar la frecuencia de la señal portadora linealmente con la señal del mensaje.

  • La modulación de fase es el proceso de variar la fase de la señal portadora linealmente con la señal del mensaje.

Analicemos ahora estos temas con mayor detalle.

Modulación de frecuencia

En la modulación de amplitud, la amplitud de la portadora varía. Pero en la modulación de frecuencia (FM), la frecuencia de la señal portadora varía de acuerdo con la amplitud instantánea de la señal moduladora.

La amplitud y la fase de la señal portadora permanecen constantes mientras que la frecuencia de la portadora cambia. Esto se puede comprender mejor observando las siguientes figuras.

La frecuencia de la onda modulada permanece constante como la frecuencia de la onda portadora cuando la señal del mensaje está en cero. La frecuencia aumenta cuando la señal del mensaje alcanza su máxima amplitud.

Lo que significa que con el aumento de amplitud de la señal moduladora o de mensaje, aumenta la frecuencia de la portadora. Asimismo, con la disminución de la amplitud de la señal moduladora, la frecuencia también disminuye.

Representación matemática

Sea la frecuencia portadora fc

La frecuencia a la máxima amplitud de la señal de mensaje = fc + Δf

La frecuencia a la amplitud mínima de la señal de mensaje = fc - Δf

La diferencia entre la frecuencia modulada FM y la frecuencia normal se denomina como Frequency Deviation y se denota por Δf.

La desviación de la frecuencia de la señal portadora de alta a baja o de baja a alta puede denominarse Carrier Swing.

Carrier Swing = 2 × desviación de frecuencia

= 2 × Δf

Ecuación para FM WAVE

La ecuación de la onda FM es:

$$ s (t) = A_ccos [W_ct + 2 \ pi k_fm (t)] $$

Dónde,

Ac = la amplitud de la portadora

wc = frecuencia angular de la portadora = 2πfc

m(t) = señal de mensaje

FM se puede dividir en Narrowband FM y Wideband FM.

FM de banda estrecha

Las características de Narrowband FM son las siguientes:

  • Esta modulación de frecuencia tiene un ancho de banda pequeño.

  • El índice de modulación es pequeño.

  • Su espectro consta de portadora, USB y LSB.

  • Se utiliza en comunicaciones móviles como radio de policía, ambulancias, taxis, etc.

FM de banda ancha

Las características de Wideband FM son las siguientes:

  • Esta modulación de frecuencia tiene un ancho de banda infinito.

  • El índice de modulación es grande, es decir, superior a 1.

  • Su espectro consta de un portador y un número infinito de bandas laterales, que se ubican a su alrededor.

  • Se utiliza en aplicaciones de transmisión de entretenimiento como radio FM, TV, etc.

Modulación de fase

En la modulación de frecuencia, la frecuencia de la portadora varía. Pero enPhase Modulation (PM), la fase de la señal portadora varía de acuerdo con la amplitud instantánea de la señal moduladora.

La amplitud y la frecuencia de la señal portadora permanecen constantes mientras que la fase de la portadora cambia. Esto se puede comprender mejor observando las siguientes figuras.

La fase de la onda modulada tiene puntos infinitos donde puede tener lugar el cambio de fase en una onda. La amplitud instantánea de la señal moduladora cambia la fase de la portadora. Cuando la amplitud es positiva, la fase cambia en una dirección y si la amplitud es negativa, la fase cambia en la dirección opuesta.

Relación entre PM y FM

El cambio de fase cambia la frecuencia de la onda modulada. La frecuencia de la onda también cambia la fase de la onda. Aunque están relacionados, su relación no es lineal. La modulación de fase es un método indirecto de producir FM. La cantidad de desplazamiento de frecuencia, producido por un modulador de fase, aumenta con la frecuencia de modulación. Se emplea un ecualizador de audio para compensar esto.

Ecuación para onda PM

La ecuación para la onda PM es:

$$ s (t) = A_ccos [W_ct + k_pm (t)] $$

Dónde,

Ac = la amplitud de la portadora

wc = frecuencia angular de la portadora = 2πfc

m(t) = señal de mensaje

La modulación de fase se utiliza en los sistemas de comunicaciones móviles, mientras que la modulación de frecuencia se utiliza principalmente para la radiodifusión de FM.

Multiplexing es el proceso de combinar múltiples señales en una señal, a través de un medio compartido.

  • El proceso se llama como analog multiplexing si estas señales son de naturaleza analógica.

  • Si las señales digitales se multiplexan, se denomina como digital multiplexing.

La multiplexación se desarrolló por primera vez en telefonía. Se combinaron varias señales para enviarlas a través de un solo cable. El proceso de multiplexación divide un canal de comunicación en varios canales lógicos, asignando a cada uno una señal de mensaje diferente o un flujo de datos a transferir. El dispositivo que realiza la multiplexación, se puede llamar comoMUX.

El proceso inverso, es decir, extraer el número de canales de uno, que se realiza en el receptor, se denomina como demultiplexing. El dispositivo que realiza la demultiplexación se denominaDEMUX.

Las siguientes figuras ilustran el concepto de MUX y DEMUX. Su uso principal está en el campo de las comunicaciones.

Tipos de multiplexores

Existen principalmente dos tipos de multiplexores, a saber, analógicos y digitales. Además, se dividen en FDM, WDM y TDM. La siguiente figura da una idea detallada sobre esta clasificación.

Hay muchos tipos de técnicas de multiplexación. De todos ellos, tenemos los tipos principales con clasificación general, mencionados en la figura anterior. Echemos un vistazo a ellos individualmente.

Multiplexación analógica

Las técnicas de multiplexación analógica involucran señales que son de naturaleza analógica. Las señales analógicas se multiplexan según su frecuencia (FDM) o longitud de onda (WDM).

Multiplexación por división de frecuencia

En multiplexación analógica, la técnica más utilizada es Frequency Division Multiplexing (FDM). Esta técnica utiliza varias frecuencias para combinar flujos de datos, para enviarlos en un medio de comunicación, como una sola señal.

Example - Un transmisor de televisión tradicional, que envía varios canales a través de un solo cable, utiliza FDM.

Multiplexación por División de Longitud de Onda

La multiplexación por división de longitud de onda (WDM) es una técnica analógica, en la que muchos flujos de datos de diferentes longitudes de onda se transmiten en el espectro de luz. Si la longitud de onda aumenta, la frecuencia de la señal disminuye. Un prisma que puede convertir diferentes longitudes de onda en una sola línea, se puede utilizar en la salida de MUX y la entrada de DEMUX.

Example - Las comunicaciones por fibra óptica utilizan la técnica WDM, para fusionar diferentes longitudes de onda en una sola luz para la comunicación.

Multiplexación digital

El término digital representa los bits discretos de información. Por tanto, los datos disponibles están en forma de tramas o paquetes, que son discretos.

Multiplexación por división de tiempo (TDM)

En TDM, el marco de tiempo se divide en intervalos. Esta técnica se utiliza para transmitir una señal a través de un solo canal de comunicación, asignando un intervalo para cada mensaje.

De todos los tipos de TDM, los principales son TDM sincrónico y asincrónico.

TDM sincrónico

En TDM sincrónico, la entrada está conectada a una trama. Si hay 'n' número de conexiones, entonces la trama se divide en 'n' intervalos de tiempo. Se asigna una ranura para cada línea de entrada.

En esta técnica, la frecuencia de muestreo es común para todas las señales y, por lo tanto, se proporciona la misma entrada de reloj. El MUX asigna elsame slot a cada dispositivo en todo momento.

TDM asincrónico

En TDM asincrónico, la frecuencia de muestreo es diferente para cada una de las señales y no se requiere un reloj común. Si el dispositivo asignado, durante un intervalo de tiempo, no transmite nada y permanece inactivo, entonces ese intervalo esallotted to another dispositivo, a diferencia del síncrono.

Este tipo de TDM se utiliza en redes en modo de transferencia asíncrona.

Demultiplexor

Los demultiplexores se utilizan para conectar una sola fuente a varios destinos. Este proceso es el inverso del multiplexado. Como se mencionó anteriormente, se usa principalmente en los receptores. DEMUX tiene muchas aplicaciones. Se utiliza en receptores en los sistemas de comunicación. Se utiliza en unidades aritméticas y lógicas en computadoras para suministrar energía y transmitir comunicaciones, etc.

Los demultiplexores se utilizan como convertidores de serie a paralelo. Los datos en serie se dan como entrada a DEMUX a intervalos regulares y se le adjunta un contador para controlar la salida del demultiplexor.

Tanto los multiplexores como los demultiplexores juegan un papel importante en los sistemas de comunicación, tanto en las secciones transmisora ​​como receptora.

La multiplexación por división de frecuencia se utiliza en receptores de radio y televisión. El uso principal de FM es para comunicaciones por radio. Echemos un vistazo a la estructura del transmisor FM y el receptor FM junto con sus diagramas de bloques y su funcionamiento.

Transmisor FM

El transmisor de FM es la unidad completa que toma la señal de audio como entrada y entrega ondas moduladas de FM a la antena como salida para ser transmitida. El transmisor de FM consta de 6 etapas principales. Se ilustran en la siguiente figura.

El funcionamiento del transmisor de FM se puede explicar de la siguiente manera.

  • La señal de audio de la salida del micrófono se envía al preamplificador, lo que aumenta el nivel de la señal de modulación.

  • Esta señal luego pasa al filtro de paso alto, que actúa como una red de pre-énfasis para filtrar el ruido y mejorar la relación señal / ruido.

  • Esta señal se transmite además al circuito modulador de FM.

  • El circuito del oscilador genera una portadora de alta frecuencia, que se le da al modulador junto con la señal moduladora.

  • Se utilizan varias etapas de multiplicador de frecuencia para aumentar la frecuencia de funcionamiento. Incluso entonces, la potencia de la señal no es suficiente para transmitir. Por lo tanto, se utiliza un amplificador de potencia de RF al final para aumentar la potencia de la señal modulada. Esta salida modulada de FM finalmente se pasa a la antena para ser transmitida.

Requisitos de un receptor

Se utiliza un receptor de radio para recibir señales de banda AM y banda FM. La detección deAM se realiza mediante el método llamado como Envelope Detection y la detección de FM se realiza mediante el método llamado como Frequency Discrimination.

Dicho receptor de radio tiene los siguientes requisitos.

  • Debería ser rentable.

  • Debería recibir señales AM y FM.

  • El receptor debe poder sintonizar y amplificar la estación deseada.

  • Debe tener la capacidad de rechazar las estaciones no deseadas.

  • La demodulación debe realizarse en todas las señales de la estación, cualquiera que sea la frecuencia portadora.

Para que se cumplan estos requisitos, el circuito del sintonizador y el circuito del mezclador deben ser muy eficaces. El procedimiento de mezcla de RF es un fenómeno interesante.

Mezcla de RF

La unidad de mezcla de RF desarrolla un Intermediate Frequency (IF) al que se convierte cualquier señal recibida, para procesar la señal de manera efectiva.

RF Mixer es una etapa importante en el receptor. Se toman dos señales de diferentes frecuencias donde un nivel de señal afecta el nivel de la otra señal, para producir la salida mixta resultante. Las señales de entrada y la salida resultante del mezclador se ilustran en las siguientes figuras.

Cuando dos señales ingresan al mezclador de RF,

  • La primera frecuencia de señal = F1

  • La segunda frecuencia de señal = F2

Entonces, las frecuencias de la señal resultante = (F1 + F2) y (F1 - F2)

En la salida se produce un mezclador de dos señales de diferentes frecuencias.

Si esto se observa en el dominio de la frecuencia, el patrón se parece a la siguiente figura.

El símbolo de un mezclador de RF se parece a la siguiente figura.

Las dos señales se mezclan para producir una señal resultante, donde el efecto de una señal afecta a la otra señal y ambas producen un patrón diferente como se vio anteriormente.

Receptor de FM

El receptor de FM es la unidad completa que toma la señal modulada como entrada y produce la señal de audio original como salida. Los radioaficionados son los primeros receptores de radio. Sin embargo, tienen inconvenientes como una baja sensibilidad y selectividad.

Selectivity es la selección de una señal en particular mientras se rechazan las demás. Sensitivity es la capacidad de detectar una señal de RF y demodularla, mientras se encuentra en el nivel de potencia más bajo.

Para superar estos inconvenientes, super heterodynese inventó el receptor. Este receptor de FM consta de 5 etapas principales. Son como se muestra en la siguiente figura.

Sección del sintonizador de RF

La señal modulada recibida por la antena se pasa primero al tuner circuita través de un transformador. El circuito del sintonizador no es más que un circuito LC, que también se denomina comoresonant o tank circuit. Selecciona la frecuencia deseada por el receptor de radio. También sintoniza el oscilador local y el filtro de RF al mismo tiempo.

Mezclador de RF

La señal de la salida del sintonizador se envía al RF-IF converter, que actúa como mezclador. Tiene un oscilador local, que produce una frecuencia constante. El proceso de mezcla se realiza aquí, teniendo la señal recibida como una entrada y la frecuencia del oscilador local como la otra entrada. La salida resultante es una mezcla de dos frecuencias [(f 1 + f 2 ), (f 1 - f 2 )] producidas por el mezclador, que se denomina comoIntermediate Frequency (IF).

La producción de IF ayuda en la demodulación de cualquier señal de estación que tenga cualquier frecuencia portadora. Por tanto, todas las señales se traducen a una frecuencia portadora fija para lograr una selectividad adecuada.

Filtro IF

El filtro de frecuencia intermedia es un filtro de paso de banda, que pasa la frecuencia deseada. Elimina cualquier componente de frecuencia superior no deseado presente en él, así como el ruido. El filtro IF ayuda a mejorar laSignal to Noise Ratio (SNR).

Demodulador

La señal modulada recibida ahora se demodula con el mismo proceso utilizado en el lado del transmisor. La discriminación de frecuencia se utiliza generalmente para la detección de FM.

Amplificador de audio

Esta es la etapa del amplificador de potencia que se utiliza para amplificar la señal de audio detectada. A la señal procesada se le da fuerza para que sea efectiva. Esta señal se transmite al altavoz para obtener la señal de sonido original.

Este receptor superheterodino se utiliza bien debido a sus ventajas como mejor SNR, sensibilidad y selectividad.

Ruido en FM

La presencia de ruido también es un problema en FM. Siempre que llega una señal de interferencia fuerte con una frecuencia más cercana a la señal deseada, el receptor bloquea esa señal de interferencia. Tal fenómeno se llama comoCapture effect.

Para aumentar la SNR a frecuencias de modulación más altas, un circuito de paso alto llamado preemphasis, se utiliza en el transmisor. Otro circuito llamadode-emphasis, el proceso inverso de preacentuación se utiliza en el receptor, que es un circuito de paso bajo. Los circuitos de preacentuación y desacentuación se utilizan ampliamente en el transmisor y receptor de FM para aumentar de manera efectiva la SNR de salida.

Hasta ahora, hemos hablado de la modulación de onda continua. Ahora es el momento de las señales discretas. losPulse modulationtécnicas, se ocupa de señales discretas. Veamos cómo convertir una señal continua en discreta. El proceso llamado muestreo nos ayuda con esto.

Muestreo

El proceso de conversión de señales de tiempo continuas en señales de tiempo discretas equivalentes puede denominarse Sampling. Un determinado instante de datos se muestrea continuamente en el proceso de muestreo.

La siguiente figura indica una señal de tiempo continuo x(t) y una señal muestreada xs(t). Cuandox(t) se multiplica por un tren de impulsos periódico, la señal muestreada xs(t) es obtenido.

UN sampling signal es un tren periódico de pulsos, que tiene unit amplitude, muestreados a intervalos de tiempo iguales Ts, que se llama como Sampling time. Estos datos se transmiten en los instantes de tiempoTs y la señal portadora se transmite en el tiempo restante.

Tasa de muestreo

Para discretizar las señales, se debe arreglar el espacio entre las muestras. Esa brecha puede denominarsesampling period Ts.

$$ Muestreo \: Frecuencia = \ frac {1} {T_s} = f_s $$

Dónde,

Ts = el tiempo de muestreo

fs = la frecuencia de muestreo o la frecuencia de muestreo

Teorema de muestreo

Al considerar la tasa de muestreo, se debe considerar un punto importante con respecto a cuánto debe ser la tasa. losrate of sampling debe ser tal que los datos de la señal del mensaje no se pierdan ni se superpongan.

los sampling theorem establece que, "una señal se puede reproducir exactamente si se muestrea a la velocidad fs que es mayor o igual al doble de la frecuencia máxima W. "

Para decirlo en palabras más simples, para la reproducción efectiva de la señal original, la frecuencia de muestreo debe ser el doble de la frecuencia más alta.

Lo que significa,

$$ f_s \ geq 2W $$

Dónde,

fs = la frecuencia de muestreo

W es la frecuencia más alta

Esta tasa de muestreo se denomina Nyquist rate.

El teorema de muestreo, que también se llama Nyquist theorem, ofrece la teoría de una frecuencia de muestreo suficiente en términos de ancho de banda para la clase de funciones con limitación de banda.

Para la señal de tiempo continuo x(t), la señal de banda limitada en el dominio de la frecuencia, se puede representar como se muestra en la siguiente figura.

Si la señal se muestrea por encima de la tasa de Nyquist, se puede recuperar la señal original. La siguiente figura explica una señal, si se muestrea a una velocidad superior a 2w en el dominio de la frecuencia.

Si se muestrea la misma señal a una velocidad inferior a 2w, entonces la señal muestreada se vería como la siguiente figura.

Podemos observar a partir del patrón anterior que se realiza el solapamiento de información, lo que conduce a confusión y pérdida de información. Este fenómeno no deseado de superposición se denomina comoAliasing.

El aliasing se puede denominar "el fenómeno de un componente de alta frecuencia en el espectro de una señal, que adquiere la identidad de un componente de baja frecuencia en el espectro de su versión muestreada".

Por lo tanto, el muestreo de la señal se elige a la tasa de Nyquist, como se estableció en el teorema de muestreo. Si la frecuencia de muestreo es igual al doble de la frecuencia más alta (2W).

Eso significa,

$$ f_s = 2W $$

Dónde,

fs = la frecuencia de muestreo

W es la frecuencia más alta

El resultado será el que se muestra en la figura anterior. La información se reemplaza sin pérdida alguna. Por tanto, esta es una buena frecuencia de muestreo.

Después de la modulación de onda continua, la siguiente división es la modulación de pulsos. La modulación de pulsos se divide en modulación analógica y digital. Las técnicas de modulación analógica se clasifican principalmente en modulación de amplitud de pulso, modulación de duración de pulso / modulación de ancho de pulso y modulación de posición de pulso.

Modulación de amplitud de pulso

Pulse Amplitude Modulation (PAM) es un esquema de modulación analógica en el que la amplitud de la portadora de impulsos varía proporcionalmente a la amplitud instantánea de la señal del mensaje.

La señal modulada en amplitud de pulso seguirá la amplitud de la señal original, ya que la señal traza el camino de toda la onda. En PAM natural, una señal muestreada a la tasa de Nyquist se reconstruye pasándola a través de unLow Pass Frequency (LPF) con frecuencia de corte exacta

Las siguientes figuras explican la modulación de amplitud de pulso.

Aunque la señal PAM pasa a través de un LPF, no puede recuperar la señal sin distorsión. Por lo tanto, para evitar este ruido, el muestreo de superficie plana se realiza como se muestra en la siguiente figura.

Flat-top samplinges el proceso en el que la señal muestreada se puede representar en pulsos para los cuales la amplitud de la señal no se puede cambiar con respecto a la señal analógica, a muestrear. Las cimas de amplitud permanecen planas. Este proceso simplifica el diseño del circuito.

Modulación de ancho de pulso

Pulse Width Modulation (PWM) o Pulse Duration Modulation (PDM) o Pulse Time Modulation (PTM) es un esquema de modulación analógica en el que la duración o el ancho o el tiempo de la portadora de pulsos varía proporcionalmente a la amplitud instantánea de la señal del mensaje.

El ancho del pulso varía en este método, pero la amplitud de la señal permanece constante. Los limitadores de amplitud se utilizan para hacer constante la amplitud de la señal. Estos circuitos recortan la amplitud a un nivel deseado y, por lo tanto, el ruido es limitado.

Las siguientes figuras explican los tipos de modulaciones de ancho de pulso.

Hay tres variaciones de PWM. Ellos son -

  • Siendo constante el borde anterior del pulso, el borde posterior varía según la señal del mensaje.

  • Siendo constante el borde posterior del pulso, el borde anterior varía según la señal del mensaje.

  • Siendo constante el centro del pulso, el borde anterior y el borde posterior varían según la señal del mensaje.

Estos tres tipos se muestran en la figura anterior, con ranuras de tiempo.

Modulación de posición de pulso

Pulse Position Modulation (PPM) es un esquema de modulación analógica en el que la amplitud y el ancho de los pulsos se mantienen constantes, mientras que la posición de cada pulso, con referencia a la posición de un pulso de referencia, varía según el valor instantáneo muestreado de la señal del mensaje.

El transmisor tiene que enviar pulsos de sincronización (o simplemente pulsos de sincronización) para mantener el transmisor y el receptor sincronizados. Estos pulsos de sincronización ayudan a mantener la posición de los pulsos. Las siguientes figuras explican la modulación de posición de pulso.

La modulación de la posición del pulso se realiza de acuerdo con la señal modulada por ancho de pulso. Cada seguimiento de la señal modulada por ancho de pulso se convierte en el punto de partida para los pulsos en la señal PPM. Por lo tanto, la posición de estos pulsos es proporcional al ancho de los pulsos PWM.

Ventaja

Como la amplitud y el ancho son constantes, la potencia manejada también es constante.

Desventaja

La sincronización entre transmisor y receptor es imprescindible.

Comparación entre PAM, PWM y PPM

La comparación entre los procesos de modulación anteriores se presenta en una única tabla.

PAM PWM PPM
La amplitud es variada El ancho es variado La posición es variada
El ancho de banda depende del ancho del pulso El ancho de banda depende del tiempo de subida del pulso El ancho de banda depende del tiempo de subida del pulso
La potencia instantánea del transmisor varía con la amplitud de los pulsos. La potencia instantánea del transmisor varía con la amplitud y el ancho de los pulsos. La potencia instantánea del transmisor permanece constante con el ancho de los pulsos.
La complejidad del sistema es alta La complejidad del sistema es baja La complejidad del sistema es baja
La interferencia de ruido es alta La interferencia de ruido es baja La interferencia de ruido es baja
Es similar a la modulación de amplitud. Es similar a la modulación de frecuencia. Es similar a la modulación de fase.

Hasta ahora hemos pasado por diferentes técnicas de modulación. El que queda esdigital modulation, que se incluye en la clasificación de modulación de pulsos. La modulación digital tiene Modulación de código de pulso (PCM) como la clasificación principal. Además, se procesa a modulación delta y ADM.

Modulación de código de pulso

Una señal es modulada por código de pulso para convertir su información analógica en una secuencia binaria, es decir, unos y ceros. La salida de unPulse Code Modulation (PCM)se parecerá a una secuencia binaria. La siguiente figura muestra un ejemplo de salida PCM con respecto a valores instantáneos de una onda sinusoidal dada.

En lugar de un tren de pulsos, PCM produce una serie de números o dígitos y, por lo tanto, este proceso se denomina digital. Cada uno de estos dígitos, aunque en código binario, representa la amplitud aproximada de la muestra de señal en ese instante.

En la modulación de código de pulsos, la señal del mensaje está representada por una secuencia de pulsos codificados. Esta señal de mensaje se logra representando la señal en forma discreta tanto en tiempo como en amplitud.

Elementos básicos de PCM

La sección del transmisor de un circuito modulador de código de pulso consta de Sampling, Quantizing y Encoding, que se realizan en el analog-to-digital convertersección. El filtro de paso bajo antes del muestreo evita el alias de la señal del mensaje.

Las operaciones básicas en la sección del receptor son regeneration of impaired signals, decoding, y reconstructiondel tren de pulsos cuantificado. La siguiente figura es el diagrama de bloques de PCM que representa los elementos básicos de las secciones del transmisor y del receptor.

Filtro de paso bajo (LPF)

Este filtro elimina los componentes de alta frecuencia presentes en la señal analógica de entrada que es mayor que la frecuencia más alta de la señal del mensaje, para evitar el alias de la señal del mensaje.

Dechado

Este es el circuito que utiliza la técnica que ayuda a recolectar los datos de muestra a valores instantáneos de la señal del mensaje, para reconstruir la señal original. La frecuencia de muestreo debe ser superior al doble del componente de frecuencia más altaW de la señal del mensaje, de acuerdo con el teorema de muestreo.

Cuantificador

La cuantificación es un proceso de reducción de bits excesivos y confinamiento de datos. La salida muestreada cuando se da a Quantizer, reduce los bits redundantes y comprime el valor.

Codificador

La digitalización de la señal analógica la realiza el codificador. Designa cada nivel cuantificado mediante un código binario. El muestreo que se realiza aquí es el proceso de muestreo y retención. Estas tres secciones actuarán como un análogo al convertidor digital. La codificación minimiza el ancho de banda utilizado.

Repetidor regenerativo

La salida del canal tiene un circuito repetidor regenerativo para compensar la pérdida de señal y reconstruir la señal. También aumenta la fuerza de la señal.

Descifrador

El circuito decodificador decodifica la forma de onda codificada por pulsos para reproducir la señal original. Este circuito actúa como eldemodulator.

Filtro de reconstrucción

Después de que el circuito regenerativo y el decodificador realizan la conversión de digital a analógico, se emplea un filtro de paso bajo, llamado filtro de reconstrucción para recuperar la señal original.

Por lo tanto, el circuito modulador de código de pulso digitaliza la señal analógica dada, la codifica y la muestrea. Luego transmite en forma analógica. Todo este proceso se repite en un patrón inverso para obtener la señal original.

Existen pocas técnicas de modulación que se siguen para construir una señal PCM. Estas técnicas comosampling, quantization, y companding ayudan a crear una señal PCM eficaz, que puede reproducir exactamente la señal original.

Cuantificación

La digitalización de señales analógicas implica el redondeo de los valores que son aproximadamente iguales a los valores analógicos. El método de muestreo elige algunos puntos en la señal analógica y luego estos puntos se unen para redondear el valor a un valor casi estabilizado. Tal proceso se llama comoQuantization.

La cuantificación de una señal analógica se realiza discretizando la señal con varios niveles de cuantificación. La cuantificación representa los valores muestreados de la amplitud mediante un conjunto finito de niveles, lo que significa convertir uncontinuous-amplitude sample en una discrete-time signal.

La siguiente figura muestra cómo se cuantifica una señal analógica. La línea azul representa la señal analógica mientras que la roja representa la señal cuantificada.

Tanto el muestreo como la cuantificación dan como resultado la pérdida de información. La calidad de la salida de un cuantificador depende del número de niveles de cuantificación utilizados. Las amplitudes discretas de la salida cuantificada se denominanrepresentation levels o reconstruction levels. El espaciado entre dos niveles de representación adyacentes se denominaquantum o step-size.

Companding en PCM

La palabra Companding es una combinación de Compresionando y Expanding, lo que significa que hace ambas cosas. Esta es una técnica no lineal utilizada en PCM que comprime los datos en el transmisor y expande los mismos datos en el receptor. Los efectos del ruido y la diafonía se reducen mediante el uso de esta técnica.

Hay dos tipos de técnicas de Companding.

Técnica de compresión de la ley A

  • La cuantificación uniforme se logra en A = 1, donde la curva característica es lineal y no hay compresión.

  • La ley A tiene una altura media en el origen. Por tanto, contiene un valor distinto de cero.

  • La expansión de la ley A se utiliza para los sistemas telefónicos PCM.

  • La ley A se utiliza en muchas partes del mundo.

Técnica de compresión de ley µ

  • La cuantificación uniforme se logra en µ = 0, donde la curva característica es lineal y no hay compresión.

  • La ley µ tiene una banda intermedia en el origen. Por tanto, contiene un valor cero.

  • La compresión de ley µ se utiliza para señales de voz y música.

  • La ley µ se utiliza en Norteamérica y Japón.

PCM diferencial

Las muestras que están altamente correlacionadas, cuando se codifican mediante la técnica PCM, dejan atrás información redundante. Para procesar esta información redundante y tener una mejor salida, es una sabia decisión tomar valores muestreados predichos, asumidos de sus salidas anteriores y resumirlos con los valores cuantificados.

Tal proceso se denomina Differential PCM técnica.

La frecuencia de muestreo de una señal debe ser mayor que la frecuencia de Nyquist para lograr un mejor muestreo. Si este intervalo de muestreo en un PCM diferencial (DPCM) se reduce considerablemente, la diferencia de amplitud de muestra a muestra es muy pequeña, como si la diferencia fuera1-bit quantization, entonces el tamaño del paso es muy pequeño, es decir, Δ (delta).

¿Qué es la modulación delta?

El tipo de modulación, donde la frecuencia de muestreo es mucho mayor y en el que el tamaño de paso después de la cuantificación es de menor valor. Δ, tal modulación se denomina delta modulation.

Características de la modulación delta

  • Se toma una entrada sobremuestreada para hacer un uso completo de una correlación de señal.

  • El diseño de cuantificación es simple.

  • La secuencia de entrada es mucho más alta que la tasa de Nyquist.

  • La calidad es moderada.

  • El diseño del modulador y demodulador es simple.

  • La aproximación escalonada de la forma de onda de salida.

  • El tamaño del paso es muy pequeño, es decir, Δ (delta).

  • El usuario puede decidir la tasa de bits.

  • Requiere una implementación más sencilla.

La modulación delta es una forma simplificada de la técnica DPCM, también vista como esquema DPCM de 1 bit. A medida que se reduce el intervalo de muestreo, la correlación de la señal será mayor.

Modulador Delta

los Delta Modulatorconsta de un cuantificador de 1 bit y un circuito de retardo junto con dos circuitos de verano. A continuación se muestra el diagrama de bloques de un modulador delta.

Una forma de onda aproximada en escalera será la salida del modulador delta con el tamaño del paso como delta (Δ). La calidad de salida de la forma de onda es moderada.

Demodulador Delta

El demodulador delta consta de un filtro de paso bajo, un circuito de verano y un retardo. El circuito predictor se elimina aquí y, por lo tanto, no se da ninguna entrada supuesta al demodulador.

A continuación se muestra el diagrama de bloques del demodulador delta.

El filtro de paso bajo se utiliza por muchas razones, pero la más importante es la eliminación de ruido para señales fuera de banda. El error de tamaño de paso que puede ocurrir en el transmisor se llamagranular noise, que se elimina aquí. Si no hay ruido, entonces la salida del modulador es igual a la entrada del demodulador.

Ventajas de DM sobre DPCM

  • Cuantificador de 1 bit
  • Diseño muy sencillo de modulador y demodulador

Sin embargo, existen algunos noise in DM y los siguientes son los tipos de ruido.

  • Pendiente de distorsión de carga (cuando Δ es pequeño)
  • Ruido granular (cuando Δ es grande)

Modulación delta adaptativa

En la modulación digital, nos encontramos con ciertos problemas para determinar el tamaño del paso, lo que influye en la calidad de la onda de salida.

Se necesita un tamaño de paso más grande en la pendiente pronunciada de la señal moduladora y se necesita un tamaño de paso más pequeño cuando el mensaje tiene una pendiente pequeña. Como resultado, se pierden los detalles minuciosos. Por lo tanto, sería mejor si pudiéramos controlar el ajuste del tamaño de paso, de acuerdo con nuestro requerimiento, para obtener el muestreo de la manera deseada. Este es el concepto deAdaptive Delta Modulation (ADM).

La modulación digital proporciona más capacidad de información, alta seguridad de datos, disponibilidad más rápida del sistema con comunicación de gran calidad. Por tanto, las técnicas de modulación digital tienen una mayor demanda, por su capacidad de transmitir mayores cantidades de datos que las analógicas.

Hay muchos tipos de técnicas de modulación digital e incluso podemos utilizar una combinación de estas técnicas. En este capítulo, discutiremos las técnicas de modulación digital más destacadas.

Modificación por desplazamiento de amplitud

La amplitud de la salida resultante depende de los datos de entrada si debe ser un nivel cero o una variación de positivo y negativo, dependiendo de la frecuencia de la portadora.

Amplitude Shift Keying (ASK) es un tipo de modulación de amplitud que representa los datos binarios en forma de variaciones en la amplitud de una señal.

A continuación se muestra el diagrama de la forma de onda ASK modulada junto con su entrada.

Cualquier señal modulada tiene una portadora de alta frecuencia. La señal binaria cuando se modula ASK, da un valor cero para la entrada LOW y da la salida de la portadora para la entrada HIGH.

Frecuencia de modulación por desplazamiento

La frecuencia de la señal de salida será alta o baja, dependiendo de los datos de entrada aplicados.

Frequency Shift Keying (FSK)es la técnica de modulación digital en la que la frecuencia de la señal portadora varía según los cambios digitales discretos. FSK es un esquema de modulación de frecuencia.

A continuación se muestra el diagrama de la forma de onda modulada FSK junto con su entrada.

La salida de una onda modulada FSK es de alta frecuencia para una entrada binaria ALTA y de baja frecuencia para una entrada binaria BAJA. Los 1 y 0 binarios se llamanMark y Space frequencies.

Modulación por desplazamiento de fase

La fase de la señal de salida cambia dependiendo de la entrada. Estos son principalmente de dos tipos, a saber, BPSK y QPSK, según el número de cambios de fase. El otro es DPSK que cambia la fase según el valor anterior.

Phase Shift Keying (PSK)es la técnica de modulación digital en la que la fase de la señal portadora se cambia variando las entradas de seno y coseno en un momento particular. La técnica PSK se usa ampliamente para redes LAN inalámbricas, operaciones biométricas y sin contacto, junto con comunicaciones RFID y Bluetooth.

PSK es de dos tipos, dependiendo de las fases en las que se cambia la señal. Ellos son -

Modulación por desplazamiento de fase binaria (BPSK)

Esto también se llama 2-phase PSK (o) Phase Reversal Keying. En esta técnica, la portadora de onda sinusoidal realiza inversiones de dos fases, como 0 ° y 180 °.

BPSK es básicamente un esquema de modulación DSB-SC (Portadora Suprimida de Doble Banda Lateral), siendo el mensaje la información digital.

A continuación se muestra la imagen de la onda de salida modulada BPSK junto con su entrada.

Modulación por desplazamiento de fase en cuadratura (QPSK)

Esta es la técnica de modulación por desplazamiento de fase, en la que la portadora de onda sinusoidal realiza cuatro inversiones de fase, como 0 °, 90 °, 180 ° y 270 °.

Si este tipo de técnicas se amplían aún más, la PSK se puede realizar también con ocho o dieciséis valores, dependiendo del requisito. La siguiente figura representa la forma de onda QPSK para la entrada de dos bits, que muestra el resultado modulado para diferentes instancias de entradas binarias.

QPSK es una variación de BPSK, y también es un esquema de modulación DSB-SC (portadora suprimida de banda lateral doble), que envía dos bits de información digital a la vez, denominados como bigits.

En lugar de convertir los bits digitales en una serie de flujos digitales, los convierte en pares de bits. Esto reduce la tasa de bits de datos a la mitad, lo que deja espacio para los demás usuarios.

Modulación por desplazamiento de fase diferencial (DPSK)

En DPSK (Modulación por desplazamiento de fase diferencial), la fase de la señal modulada se desplaza en relación con el elemento de señal anterior. Aquí no se considera ninguna señal de referencia. La fase de la señal sigue el estado alto o bajo del elemento anterior. Esta técnica DPSK no necesita un oscilador de referencia.

La siguiente figura representa la forma de onda del modelo de DPSK.

Se ve en la figura anterior que, si el bit de datos es BAJO, es decir, 0, entonces la fase de la señal no se invierte, sino que continúa como estaba. Si el dato es ALTO, es decir, 1, entonces la fase de la señal se invierte, como con NRZI, se invierte en 1 (una forma de codificación diferencial).

Si observamos la forma de onda anterior, podemos decir que el estado ALTO representa un M en la señal de modulación y el estado BAJO representa un W en la señal moduladora.

La palabra binario representa dos bits. M simplemente representa un dígito que corresponde al número de condiciones, niveles o combinaciones posibles para un número dado de variables binarias.

Este es el tipo de técnica de modulación digital que se utiliza para la transmisión de datos en la que, en lugar de un bit, dos o more bits are transmitted at a time. Como se usa una sola señal para la transmisión de múltiples bits, se reduce el ancho de banda del canal.

Ecuación M-aria

Si una señal digital se da bajo cuatro condiciones, como niveles de voltaje, frecuencias, fases y amplitud, entonces M = 4.

El número de bits necesarios para producir un número dado de condiciones se expresa matemáticamente como

$$ N = \ log_ {2} M $$

Dónde,

N es el número de bits necesarios.

M es el número de condiciones, niveles o combinaciones posibles con N bits.

La ecuación anterior se puede reorganizar como:

$$ 2 ^ {N} = M $$

Por ejemplo, con dos bits, 22 = 4 las condiciones son posibles.

Tipos de técnicas M-ary

En general, (M-ary) Las técnicas de modulación multinivel se utilizan en las comunicaciones digitales como las entradas digitales con más de dos niveles de modulación permitidos en la entrada del transmisor. Por lo tanto, estas técnicas son eficientes en ancho de banda.

Hay muchas técnicas de modulación M-aria diferentes. Algunas de estas técnicas modulan un parámetro de la señal portadora, como amplitud, fase y frecuencia.

M-ary PREGUNTE

Se llama M-ary Amplitude Shift Keying (M-ASK) o M-ary Pulse Amplitude Modulation (PAM).

La amplitud de la señal portadora adquiere M niveles diferentes.

Representación de M-ary ASK

$$ S_m (t) = A_mcos (2 \ pi f_ct) \: \: \: \: \: \: A_m \ epsilon {(2m-1-M) \ Delta, m = 1,2 .... M } \: \: \: y \: \: \: 0 \ leq t \ leq T_s $$

Este método también se utiliza en PAM. Su implementación es sencilla. Sin embargo, M-ary ASK es susceptible al ruido y la distorsión.

M-ary FSK

Esto se llama como M-ary Frequency Shift Keying.

La frecuencia de la señal portadora, adquiere M niveles diferentes.

Representación de M-ary FSK

$$ S_ {i} (t) = \ sqrt {\ frac {2E_ {s}} {T_ {S}}} \ cos \ lgrupo \ frac {\ Pi} {T_ {s}} (n_ {c} + i) t \ rgrupo \: \: \: \: 0 \ leq t \ leq T_ {s} \: \: \: y \: \: \: i = 1,2 ..... M $$

donde $ f_ {c} = \ frac {n_ {c}} {2T_ {s}} $ para algún número entero fijo n.

Esto no es tan susceptible al ruido como ASK. El transmitidoMnúmero de señales son iguales en energía y duración. Las señales están separadas por $ \ frac {1} {2T_s} $Hz haciendo que las señales sean ortogonales entre sí.

Ya que Mlas señales son ortogonales, no hay aglomeración en el espacio de señales. La eficiencia del ancho de banda de una M-ary FSK disminuye y la eficiencia energética aumenta con el aumento de M.

M-ary PSK

Esto se denomina Modulación por desplazamiento de fase M-aria.

los phase de la señal portadora, toma M niveles diferentes.

Representación de M-ary PSK

$$ S_ {i} (t) = \ sqrt {\ frac {2E} {T}} \ cos (w_ {0} t + \ emptyset_ {i} t) \: \: \: \: 0 \ leq t \ leq T_ {s} \: \: \: y \: \: \: i = 1,2 ..... M $$

$$ \ emptyset_ {i} t = \ frac {2 \ Pi i} {M} \: \: \: donde \: \: i = 1,2,3 ... \: ... M $$

Aquí, la envolvente es constante con más posibilidades de fase. Este método se utilizó durante los primeros días de la comunicación espacial. Tiene un mejor rendimiento que ASK y FSK. Error mínimo de estimación de fase en el receptor.

La eficiencia del ancho de banda de M-ary PSK disminuye y la eficiencia energética aumenta con el aumento de M. Hasta ahora, hemos discutido diferentes técnicas de modulación. El resultado de todas estas técnicas es una secuencia binaria, representada como unos y ceros. Esta información binaria o digital tiene muchos tipos y formas, que se comentan más a fondo.

La información es la fuente de un sistema de comunicación, ya sea analógico o digital. Information theory es un enfoque matemático para el estudio de la codificación de información junto con la cuantificación, almacenamiento y comunicación de información.

Condiciones de ocurrencia de eventos

Si consideramos un evento, existen tres condiciones de ocurrencia.

  • Si el evento no ha ocurrido, existe una condición de uncertainty.

  • Si el evento acaba de ocurrir, existe una condición de surprise.

  • Si el evento ha ocurrido, hace un tiempo, existe la condición de tener alguna information.

Por lo tanto, estos tres ocurren en diferentes momentos. La diferencia en estas condiciones, nos ayuda a tener un conocimiento sobre las probabilidades de ocurrencia de eventos.

Entropía

Cuando observamos las posibilidades de ocurrencia de un evento, ya sea por sorpresa o por incierto, significa que estamos tratando de tener una idea del contenido promedio de la información de la fuente del evento.

Entropy se puede definir como una medida del contenido de información promedio por símbolo de fuente. Claude Shannon, el "padre de la teoría de la información", le ha dado una fórmula como

$$ H = - \ sum_ {i} p_i \ log_ {b} p_i $$

Donde $ p_i $ es la probabilidad de que ocurra el número de carácter ide un flujo de caracteres dado y b es la base del algoritmo utilizado. Por lo tanto, esto también se llama comoShannon’s Entropy.

La cantidad de incertidumbre que queda sobre la entrada del canal después de observar la salida del canal se denomina como Conditional Entropy. Se denota por $ H (x \ arrowvert y) $

Fuente discreta sin memoria

Una fuente desde la que se emiten los datos a intervalos sucesivos, que es independiente de los valores anteriores, se puede denominar como discrete memoryless source.

Esta fuente es discreta ya que no se considera para un intervalo de tiempo continuo, sino en intervalos de tiempo discretos. Esta fuente no tiene memoria, ya que está fresca en cada instante, sin considerar los valores anteriores.

Codificación de fuente

De acuerdo con la definición, “Dada una fuente de entropía discreta sin memoria $ H (\ delta) $, la longitud promedio de la palabra de código $ \ bar {L} $ para cualquier codificación de fuente se limita a $ \ bar {L} \ geq H (\ delta) $ ”.

En palabras más simples, la palabra de código (por ejemplo: el código Morse para la palabra QUEUE es -.- ..-. ..-.) Es siempre mayor o igual que el código fuente (QUEUE en el ejemplo). Lo que significa que los símbolos de la palabra de código son mayores o iguales que los alfabetos del código fuente.

Codificación de canales

La codificación de canales en un sistema de comunicación introduce redundancia con un control, para mejorar la confiabilidad del sistema. La codificación de origen reduce la redundancia para mejorar la eficiencia del sistema.

La codificación de canales consta de dos partes de acción.

  • Mapping secuencia de datos entrantes en una secuencia de entrada de canal.

  • Inverse mapping la secuencia de salida del canal en una secuencia de datos de salida.

El objetivo final es minimizar el efecto general del ruido del canal.

El mapeo lo realiza el transmisor, con la ayuda de un codificador, mientras que el mapeo inverso se realiza en el receptor mediante un decodificador.

Se emplea una clase colectiva de técnicas de señalización antes de transmitir una señal para proporcionar una comunicación segura, conocida como Spread Spectrum Modulation. La principal ventaja de la técnica de comunicación de espectro ensanchado es evitar la "interferencia", ya sea intencionada o no.

Las señales moduladas con estas técnicas son difíciles de interferir y no se pueden interferir. Un intruso sin acceso oficial nunca puede romperlos. Por tanto, estas técnicas se utilizan con fines militares. Estas señales de espectro extendido se transmiten a baja densidad de potencia y tienen una amplia dispersión de señales.

Secuencia de pseudo-ruido

Una secuencia codificada de unos y ceros con determinadas propiedades de autocorrelación, denominada como PseudoNoise coding sequencese utiliza en técnicas de espectro ensanchado. Es una secuencia de longitud máxima, que es un tipo de código cíclico.

Señal de banda estrecha

Las señales de banda estrecha tienen la fuerza de la señal concentrada como se muestra en el espectro de frecuencia en la siguiente figura.

Estas son las características de las señales de banda estrecha:

  • La banda de señales ocupa un rango estrecho de frecuencias.
  • La densidad de potencia es alta.
  • La propagación de energía es baja y concentrada.

Aunque las funciones son buenas, estas señales son propensas a sufrir interferencias.

Señales de espectro extendido

Las señales de espectro ensanchado tienen la intensidad de la señal distribuida como se muestra en la siguiente figura del espectro de frecuencias.

Estas son las características de las señales de espectro ensanchado:

  • La banda de señales ocupa una amplia gama de frecuencias.
  • La densidad de potencia es muy baja.
  • La energía está muy extendida.

Con estas características, las señales de espectro ensanchado son altamente resistentes a interferencias o interferencias. Dado que varios usuarios pueden compartir el mismo ancho de banda de espectro expandido sin interferir entre sí, estos pueden denominarse comomultiple access techniques.

Las técnicas de acceso múltiple de espectro ensanchado utilizan señales que tienen un ancho de banda de transmisión cuya magnitud es mayor que el ancho de banda de RF mínimo requerido.

Las señales de espectro ensanchado se pueden clasificar en dos categorías:

  • Espectro ensanchado con salto de frecuencia (FHSS)
  • Espectro ensanchado de secuencia directa (DSSS)

Espectro ensanchado con salto de frecuencia

Esta es la técnica de salto de frecuencia, en la que se hace que los usuarios cambien las frecuencias de uso, de una a otra en un intervalo de tiempo específico, por lo que se denomina como frequency hopping.

Por ejemplo, se asignó una frecuencia al remitente 1 durante un período de tiempo determinado. Ahora, después de un tiempo, el emisor 1 salta a la otra frecuencia y el emisor 2 usa la primera frecuencia, que anteriormente usaba sender1. Esto se llama comofrequency reuse.

Las frecuencias de los datos se saltan de una a otra para proporcionar una transmisión segura. La cantidad de tiempo invertida en cada salto de frecuencia se denominaDwell time.

Espectro extendido de secuencia directa

Siempre que un usuario desee enviar datos utilizando esta técnica DSSS, todos y cada uno de los bits de los datos del usuario se multiplican por un código secreto, llamado código de chip. Estachipping codeno es más que el código de difusión que se multiplica con el mensaje original y se transmite. El receptor usa el mismo código para recuperar el mensaje original.

Este DSSS también se denomina Code Division Multiple Access (CDMA).

Comparación entre FHSS y DSSS / CDMA

Ambas técnicas de espectro ensanchado son populares por sus características. Para tener una comprensión clara, echemos un vistazo a sus comparaciones.

FHSS DSSS / CDMA
Se utilizan múltiples frecuencias Se utiliza una sola frecuencia
Es difícil encontrar la frecuencia del usuario en cualquier momento La frecuencia del usuario, una vez asignada, es siempre la misma
Se permite la reutilización de frecuencia No se permite la reutilización de frecuencias
El remitente no necesita esperar El remitente tiene que esperar si el espectro está ocupado
La potencia de la señal es alta La potencia de la señal es baja
Es más fuerte y penetra a través de los obstáculos. Es más débil en comparación con FHSS
Nunca se ve afectado por interferencias Puede verse afectado por interferencias
Es más barato Es caro
Esta es la técnica más utilizada Esta técnica no se utiliza con frecuencia.

Ventajas de Spread Spectrum

A continuación se presentan las ventajas de Spread Spectrum.

  • Eliminación de interferencias
  • Mejor salida con integridad de datos
  • Efecto reducido del desvanecimiento por trayectos múltiples
  • Mejor seguridad
  • Reducción de ruido
  • Coexistencia con otros sistemas
  • Distancias operativas más largas
  • Difícil de detectar
  • Difícil de demodular / decodificar
  • Más difícil de bloquear las señales

Aunque las técnicas de espectro ensanchado se diseñaron originalmente para usos militares, ahora se utilizan ampliamente con fines comerciales.

Las técnicas de comunicación digital discutidas hasta ahora han dado lugar a un avance en el estudio de las comunicaciones tanto ópticas como por satélite. Echemos un vistazo a ellos.

Fibra óptica

Una fibra óptica puede entenderse como una guía de ondas dieléctrica, que opera a frecuencias ópticas. El dispositivo o tubo, si está doblado o terminado para irradiar energía, se llamawaveguide, en general. La siguiente imagen muestra un montón de cables de fibra óptica.

La energía electromagnética viaja a través de él en forma de luz. La propagación de la luz, a lo largo de una guía de ondas, se puede describir en términos de un conjunto de ondas electromagnéticas guiadas, denominadas comomodes de la guía de ondas.

Principio de funcionamiento

Un parámetro óptico fundamental del que uno debería tener una idea, mientras se estudia la fibra óptica es Refractive index. Por definición, “La relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la de la materia es el índice de refracciónndel material." Se representa como:

$$ n = \ frac {c} {v} $$

Dónde,

c= la velocidad de la luz en el espacio libre = 3 × 10 8 m / s

v = la velocidad de la luz en material dieléctrico o no conductor

Generalmente, para un rayo de luz que viaja, reflectiontiene lugar cuando n 2 <n 1 . La curvatura del rayo de luz en la interfaz es el resultado de la diferencia en la velocidad de la luz en dos materiales que tienen diferentes índices de refracción. La relación entre estos ángulos en la interfaz se puede denominar comoSnell’s law. Se representa como:

$$ n_1 pecado \ phi _1 = n_2 pecado \ phi _2 $$

Dónde,

$ \ phi _1 $ es el ángulo de incidencia

$ \ phi _2 $ es el ángulo refractado

n 1 y n 2 son los índices de refracción de dos materiales

Para un material ópticamente denso, si la reflexión tiene lugar dentro del mismo material, este fenómeno se denomina como internal reflection. El ángulo de incidencia y el ángulo refractado se muestran en la siguiente figura.

Si el ángulo de incidencia $ \ phi _1 $ es mucho mayor, entonces el ángulo refractado $ \ phi _2 $ en un punto se convierte en Π / 2. No es posible una refracción adicional más allá de este punto. Por lo tanto, tal punto se llamaCritical angle $\phi _c$. Cuando el ángulo de incidencia $ \ phi _1 $ es mayor que el ángulo crítico, la condición paratotal internal reflection Está satisfecho.

La siguiente figura muestra estos términos claramente.

Un rayo de luz, si pasa a un vidrio, en tales condiciones, se refleja totalmente de regreso al vidrio sin que la luz escape de la superficie del vidrio.

Partes de una fibra

La fibra óptica más utilizada es single solid di-electric cylinder de radio ae índice de refracción n 1 . La siguiente figura explica las partes de una fibra óptica.

Este cilindro se conoce como el Corede la fibra. Un material di-eléctrico sólido rodea el núcleo, que se llamaCladding. El revestimiento tiene un índice de refracción n 2 que es menor que n 1 .

El revestimiento ayuda a:

  • Reducir las pérdidas por dispersión.
  • Agrega resistencia mecánica a la fibra.
  • Protege el núcleo de la absorción de contaminantes superficiales no deseados.

Tipos de fibras ópticas

Dependiendo de la composición del material del núcleo, hay dos tipos de fibras que se utilizan comúnmente. Ellos son -

  • Step-index fiber - El índice de refracción del núcleo es uniforme en todas partes y sufre un cambio abrupto (o escalón) en el límite del revestimiento.

  • Graded-index fiber - El índice de refracción del núcleo se hace variar en función de la distancia radial desde el centro de la fibra.

Ambos se dividen a su vez en:

  • Single-mode fiber - Estos están excitados con láser.

  • Multi-mode fiber - Estos están emocionados con LED.

Comunicaciones de fibra óptica

El sistema de comunicación de la fibra óptica se comprende bien mediante el estudio de sus partes y secciones. Los elementos principales de un sistema de comunicación por fibra óptica se muestran en la siguiente figura.

Los componentes básicos son el transmisor de señales luminosas, la fibra óptica y el receptor de detección de fotos. Los elementos adicionales como empalmadores y conectores de fibra y cable, regeneradores, divisores de haz y amplificadores ópticos se emplean para mejorar el rendimiento del sistema de comunicación.

Ventajas funcionales

Las ventajas funcionales de las fibras ópticas son:

  • El ancho de banda de transmisión de los cables de fibra óptica es mayor que el de los cables metálicos.

  • La cantidad de transmisión de datos es mayor en los cables de fibra óptica.

  • La pérdida de potencia es muy baja y, por lo tanto, útil en transmisiones de larga distancia.

  • Los cables de fibra óptica brindan alta seguridad y no se pueden conectar.

  • Los cables de fibra óptica son la forma más segura de transmisión de datos.

  • Los cables de fibra óptica son inmunes a las interferencias electromagnéticas.

  • Estos no se ven afectados por el ruido eléctrico.

Ventajas físicas

Las ventajas físicas de los cables de fibra óptica son:

  • La capacidad de estos cables es mucho mayor que la de los cables de cobre.

  • Aunque la capacidad es mayor, el tamaño del cable no aumenta como lo hace en el sistema de cableado de cobre.

  • El espacio que ocupan estos cables es mucho menor.

  • El peso de estos cables FOC es mucho más ligero que el de los de cobre.

  • Dado que estos cables son di-eléctricos, no existen riesgos de chispas.

  • Estos cables son más resistentes a la corrosión que los cables de cobre, ya que se doblan fácilmente y son flexibles.

  • La materia prima para la fabricación de cables de fibra óptica es el vidrio, que es más económico que el cobre.

  • Los cables de fibra óptica duran más que los cables de cobre.

Desventajas

Aunque la fibra óptica ofrece muchas ventajas, tiene los siguientes inconvenientes:

  • Aunque los cables de fibra óptica duran más, el costo de instalación es alto.

  • El número de repetidores se incrementará con la distancia.

  • Son frágiles si no se envuelven en una funda de plástico. Por lo tanto, se necesita más protección que las de cobre.

Aplicaciones de la fibra óptica

Las fibras ópticas tienen muchas aplicaciones. Algunos de ellos son los siguientes:

  • Utilizado en sistemas telefónicos

  • Utilizado en redes de cable submarinas

  • Utilizado en enlace de datos para redes informáticas, sistemas CATV

  • Utilizado en cámaras de vigilancia CCTV

  • Se utiliza para conectar bomberos, policía y otros servicios de emergencia.

  • Se utiliza en hospitales, escuelas y sistemas de gestión de tráfico.

  • Tienen muchos usos industriales y también se utilizan en construcciones de servicio pesado.

UN satellite es un cuerpo que se mueve alrededor de otro cuerpo en un camino matemáticamente predecible llamado Orbit. Un satélite de comunicaciones no es más que una estación repetidora de microondas en el espacio que es útil en telecomunicaciones, radio y televisión junto con aplicaciones de Internet.

UN repeateres un circuito que aumenta la fuerza de la señal que recibe y la retransmite. Pero aquí este repetidor funciona comotransponder, que cambia la banda de frecuencia de la señal transmitida, de la recibida.

La frecuencia con la que se envía la señal al espacio se llama Uplink frequency, mientras que la frecuencia con la que lo envía el transpondedor es Downlink frequency.

La siguiente figura ilustra este concepto claramente.

Ahora, echemos un vistazo a las ventajas, desventajas y aplicaciones de las comunicaciones por satélite.

Comunicación por satélite: ventajas

Hay muchas ventajas de las comunicaciones por satélite, tales como:

  • Flexibility

  • Facilidad para instalar nuevos circuitos

  • Las distancias se cubren fácilmente y el costo no importa

  • Posibilidades de retransmisión

  • Todos y cada uno de los rincones de la tierra están cubiertos

  • El usuario puede controlar la red

Comunicación por satélite: desventajas

La comunicación por satélite tiene los siguientes inconvenientes:

  • Los costos iniciales, como los costos de segmento y lanzamiento, son demasiado altos.

  • Congestión de frecuencias

  • Interferencia y propagación

Comunicación por satélite: aplicaciones

La comunicación por satélite encuentra sus aplicaciones en las siguientes áreas:

  • En radiodifusión.

  • En retransmisiones televisivas como DTH.

  • En aplicaciones de Internet como proporcionar conexión a Internet para transferencia de datos, aplicaciones de GPS, navegación por Internet, etc.

  • Para comunicaciones de voz.

  • Para el sector de la investigación y el desarrollo, en muchas áreas.

  • En aplicaciones y navegaciones militares.

La orientación del satélite en su órbita depende de las tres leyes llamadas leyes de Kepler.

Leyes de Kepler

Johannes Kepler (1571-1630), el científico astronómico, dio 3 leyes revolucionarias con respecto al movimiento de los satélites. El camino seguido por un satélite alrededor de su primario (la tierra) es unellipse. La elipse tiene dos focos:F1 y F2, siendo la tierra uno de ellos.

Si se considera la distancia desde el centro del objeto a un punto en su trayectoria elíptica, entonces el punto más lejano de una elipse desde el centro se llama como apogee y el punto más corto de una elipse desde el centro se llama como perigee.

Primera ley de Kepler

La ley de Kepler establece que "todo planeta gira alrededor del sol en una órbita elíptica, con el sol como uno de sus focos". Como tal, un satélite se mueve en una trayectoria elíptica con la Tierra como uno de sus focos.

El semi eje mayor de la elipse se denota como 'a'y el eje semi menor se denota como b. Por lo tanto, la excentricidad e de este sistema se puede escribir como:

$$ e = \ frac {\ sqrt {a ^ {2} -b ^ {2}}} {a} $$

  • Eccentricity (e) - Es el parámetro que define la diferencia en la forma de la elipse en lugar de la de un círculo.

  • Semi-major axis (a) - Es el diámetro más largo dibujado que une los dos focos a lo largo del centro, que toca ambos apogeos (puntos más alejados de una elipse del centro).

  • Semi-minor axis (b) - Es el diámetro más corto dibujado por el centro que toca ambos perigeos (puntos más cortos de una elipse desde el centro).

Estos se describen bien en la siguiente figura.

Para una trayectoria elíptica, siempre es deseable que la excentricidad esté entre 0 y 1, es decir, 0 <e <1 porque si e se convierte en cero, la ruta ya no tendrá forma elíptica, sino que se convertirá en una ruta circular.

Segunda ley de Kepler

La segunda ley de Kepler establece que, "Para intervalos de tiempo iguales, el área cubierta por el satélite es igual con respecto al centro de la Tierra".

Puede entenderse echando un vistazo a la siguiente figura.

Supongamos que el satélite cubre p1 y p2 distancias, en el mismo intervalo de tiempo, entonces las áreas B1 y B2 cubiertos en ambos casos respectivamente, son iguales.

Tercera ley de Kepler

De Kepler 3 rd ley establece que: “El cuadrado del tiempo periódico de la órbita es proporcional al cubo de la distancia media entre los dos cuerpos.”

Esto se puede escribir matemáticamente como

$$ T ^ {2} \: \ alpha \: \: a ^ {3} $$

Lo que implica

$$ T ^ {2} = \ frac {4 \ pi ^ {2}} {GM} a ^ {3} $$

Donde $ \ frac {4 \ pi ^ {2}} {GM} $ es la constante de proporcionalidad (según la mecánica newtoniana)

$$ T ^ {2} = \ frac {4 \ pi ^ {2}} {\ mu} a ^ {3} $$

Donde μ = constante gravitacional geocéntrica de la Tierra, es decir, Μ = 3.986005 × 10 14 m 3 / seg 2

$$ 1 = \ left (\ frac {2 \ pi} {T} \ right) ^ {2} \ frac {a ^ {3}} {\ mu} $$

$$ 1 = n ^ {2} \ frac {a ^ {3}} {\ mu} \: \: \: \ Rightarrow \: \: \: a ^ {3} = \ frac {\ mu} {n ^ {2}} $$

Dónde n = el movimiento medio del satélite en radianes por segundo

El funcionamiento orbital de los satélites se calcula con la ayuda de estas leyes de Kepler.

Junto con estos, hay algo importante que debe tenerse en cuenta. Un satélite, cuando gira alrededor de la Tierra, sufre una fuerza de tracción de la Tierra que es la fuerza gravitacional. Además, experimenta cierta fuerza de tracción del sol y la luna. Por tanto, hay dos fuerzas que actúan sobre él. Ellos son -

  • Centripetal force - La fuerza que tiende a atraer un objeto que se mueve en una trayectoria, hacia sí mismo se llama centripetal force.

  • Centrifugal force - La fuerza que tiende a empujar un objeto que se mueve en una trayectoria, lejos de su posición se llama centrifugal force.

Por tanto, un satélite tiene que equilibrar estas dos fuerzas para mantenerse en su órbita.

Órbitas terrestres

Un satélite, cuando se lanza al espacio, debe colocarse en una determinada órbita para proporcionar una vía particular para su revolución, a fin de mantener la accesibilidad y cumplir su propósito, ya sea científico, militar o comercial. Las órbitas asignadas a satélites con respecto a la Tierra se denominanEarth Orbits. Los satélites en estas órbitas son la Tierra.Orbit Satellites.

Los tipos importantes de órbitas terrestres son:

  • Órbita terrestre geo síncrona

  • Órbita terrestre media

  • Orbita terrestre baja

Satélites geosincrónicos en órbita terrestre

UN Geo-Synchronous Earth Orbit (GEO)satélite es uno que se coloca a una altitud de 22,300 millas sobre la Tierra. Esta órbita está sincronizada con unaside real day(es decir, 23 horas 56 minutos). Esta órbita puedehave inclination and eccentricity. Puede que no sea circular. Esta órbita se puede inclinar en los polos de la tierra. Pero parece estacionario cuando se observa desde la Tierra.

La misma órbita geo-síncrona, si es circular y en el plano del ecuador, se llama como geo-stationary orbit. Estos satélites se sitúan a 35.900 km (igual que los geosincrónicos) sobre el ecuador terrestre y siguen girando con respecto a la dirección terrestre (de oeste a este). Estos satélites se consideran estacionarios con respecto a la tierra y, por lo tanto, el nombre lo indica.

Los satélites geoestacionarios de órbita terrestre se utilizan para pronósticos meteorológicos, televisión por satélite, radio por satélite y otros tipos de comunicaciones globales.

La siguiente figura muestra la diferencia entre las órbitas geo-sincrónicas y geoestacionarias. El eje de rotación indica el movimiento de la Tierra.

Note- Cada órbita geoestacionaria es una órbita geo-sincrónica. Pero cada órbita geo-sincrónica NO es una órbita geo-estacionaria.

Satélites de órbita terrestre media

Medium Earth Orbit (MEO)Las redes de satélites orbitarán a distancias de aproximadamente 8000 millas de la superficie terrestre. Las señales transmitidas desde un satélite MEO viajan una distancia más corta. Esto se traduce en una potencia de señal mejorada en el extremo receptor. Esto muestra que se pueden utilizar terminales receptores más pequeños y ligeros en el extremo receptor.

Dado que la señal viaja una distancia más corta hacia y desde el satélite, hay menos demora en la transmisión. Transmission delay se puede definir como el tiempo que tarda una señal en viajar hasta un satélite y volver a una estación receptora.

Para las comunicaciones en tiempo real, cuanto menor sea el retardo de transmisión, mejor será el sistema de comunicación. Por ejemplo, si un satélite GEO requiere 0,25 segundos para un viaje de ida y vuelta, el satélite MEO requiere menos de 0,1 segundos para completar el mismo viaje. Los MEO funcionan en el rango de frecuencia de 2 GHz y superior.

Satélites de órbita terrestre baja

Los satélites de órbita terrestre baja (LEO) se clasifican principalmente en tres categorías, a saber, pequeños LEO, grandes LEO y Mega-LEO. Los LEO orbitarán a una distancia de 500 a 1000 millas sobre la superficie de la tierra.

Esta distancia relativamente corta reduce la demora de transmisión a solo 0.05 segundos. Esto reduce aún más la necesidad de equipos de recepción sensibles y voluminosos. Los pequeños LEO operarán en el rango de 800 MHz (0,8 GHz). Los grandes LEO operarán en el rango de 2 GHz o superior, y los Mega-LEO operan en el rango de 20-30 GHz.

Las frecuencias más altas asociadas con Mega-LEOs se traduce en una mayor capacidad de transporte de información y cede a la capacidad del esquema de transmisión de video en tiempo real y de bajo retardo.

La siguiente figura muestra las rutas de LEO, MEO y GEO.