Conceptos básicos de Comunicaciones

El objetivo fundamental de los sistemas de comunicaciones es transferir informacion de un lugar a otro. Las comunicaciones se componen de la transmision, la recepcion y el procesamiento de la informacion.

La fuente de la informacion puede llegar a ser analoga o digital. Como señal analoga, se encuentran las señales de radio, la voz humana, la musica, etc. Como señal digital se encuentra las señales codificadas en codigos binarios como archivos.

Datos Historicos

Inventor	Invento	Año
Samuel Morse	Telegrafo	1837
Alexander Graham Bell y Thomas Watson	Telefono	1876
Gugliermo Marconi	transmision de Señales de Radio	1948
Lee DeForest	Triodo o valvula al vacio	1936
Edwin Howard	Modulacion FM	1936

Sistemas Electronicos de comunicaciones

Un transmisor es un conjunto de uno o mas dispositivos o circuitos electronicos que convierte la informacion de la fuente en una señal que se presta para su transmision en algun medio.

El medio de transmision transporta las señales desde el emisor hasta el rector de la informacion. Por el medio se propagan las señales que pueden ser de corriente electrica, ondas electromagneticas, ondas luminicas, etc.

Un transmisor es un conjunto de uno o mas dispositivos o circuitos electronicos que convierte la informacion recibida del medio y la descompone para obtener la informacion original de la fuente de transmision.

Modulacion y Demodulacion

Para que una señal pueda ser propagada, generalmente es necesario que se encuentre en una frecuencia alta. El proposito de la modulacion es tomar la señal de informacion y ponerla sobre una señal de mayor frecuencia denominada señal portadora. Entonces la modulacion es el proceso de cambiar una o mas propiedades de la señal portadora en funcion de la señal de informacion. En este proceso, la señal de informacion se denomina señal moduladora.

Los dos tipos basicos de comunicaciones son analogo y digital. Un sistema analogo es aquel en el que la energia se recibe y transmite en forma analoga. Un sistema digital es un sistema donde los pulsos digitales se transfieren entre dos o mas puntos de un sistema de comunicaciones.

Los tipos de modulacion son:

• Modulacion Analoga
• AM (Modulacion en Amplitud)
• FM  (Modulacion en Frecuencia)
• PM  (Modulacion en Fase)
• Modulacion Digital
• ASK (Amplitud Shift Keying)
• FSK (Frecuency Shift Keying)
• PSK (Phase Shift Keying)
• QAM(Quadrature Amplitud Modulation)

Modos de transmision

Existen cuatro modos de transmision posibles: Simplex, Semiduplex, Duplex, Duplex total.

• Simplex (SX): las transmisiones se hacen solo en una direccion. Una estacion puede ser un transmisor o un receptor, pero no ambos a la vez
• Semiduplex (HDX, Half Duplex): las transmisiones se pueden hacer en ambas direcciones pero no pueden transmitir a la vez. La comunicacion debe alternarse entre la transmision y la recepcion.
• Duplex Total (FDX, Full Duplex): las transmisiones se pueden hacer en ambas direcciones. La comunicacion puede transmitir y recibir simultaneamente.
• Duplex Total/General (F/FDX Full/Full Duplex): se puede transmitir y recibir de forma simultanea, pero no necesariamente entre las mismas estaciones, es decir, una estacion puede transmitir a una segunda estacion y recibir simultaneamente de una tercera estacion).

Ancho de Banda (BW)

En el aspecto analogo, el ancho de banda de una señal de informacion, es la diferencia entre las frecuencias maxima y minima contenidas en la informacion. El ancho de banda del canal de comunicaciones es la diferencia entre las frecuencias maximas y minima del canal de comunicaciones. Para que una transmision se pueda realizar, el ancho de banda del canal debe ser mayor que el de informacion.

En el aspecto digital, el ancho de banda hace referencia a la capacidad de un canal en transmitir informacion. La unidad de medida se puede dar en Kilobits por segundo (Kbps) o Kilobytes por segundo (KB/s) donde 1 KB/s = 8 Kbps.

Modulación Angular

La modulacion en fase y frecuencia hace parte de la modulacion angular. La modulacion angular se produce siempre que se varia el angulo de fase de una señal senoidal con respecto al tiempo. Una onda con modulacion angular se describe matematicamente como:

Donde:

V_c = amplitud maxima de la portadora

ω_c = frecuencia de la portadora en radianes, es decir, velocidad angular, 2pf_c.

θ(t) = desviacion instantanea de fase.

Con la modulacion angular, es necesario que θ(t) sea una funcion predeterminada de la señal moduladora. Entonces si v_m es la señal moduladora, la modulacion angular se expresa como:

Donde:

ω_m = velocidad angular de la señal moduladora

f_m = frecuencia maxima de la señal moduladora

V_m = amplitud maxima de la señal moduladora

La siguiente figura muestra una señal con modulacion angular en el dominio de la frecuencia. La frecuencia de la portadora cambia de acuerdo a la amplitud de la señal moduladora. La magnitud y desplazamiento de frecuencia Δf, es proporcional a la amplitud y polaridad de la señal moduladora V_m y la rapidez con la que suceden los cambios es igual a la frecuencia f_m de la señal moduladora.

Analisis Matematico

Existen cuatro terminos que hacen referencia a la ecuacion de modulacion angular que son:

• Desviacion instantanea de fase: es el cambio instantaneo de fase de la portadora en un momento determinado. Se define como:

Desv inst de fase = θ(t)

• Fase instantanea: es la fase precisa de la portadora en un momento dado. Se describe como:

Fase inst = ω_ct + θ(t)

• desviacion instantanea de frecuencia: es el cambio instantaneo de la frecuencia de la portadora y se define como la primera derivada de la desviacion instantanea de fase con respecto al tiempo. Se describe como:

Desv inst de frecuencia = θ’(t)

• Frecuencia instantanea: es la frecuencia precisa de la portadora en determinado momento y se define como la primera derivada de la fase respecto al tiempo. Se describe como:

Frecuencia inst = ω_ct + θ(t)

Con base en lo anterior la modulacion en fase y frecuencia se expresa como:

modulacion de fase

modulacion de frecuencia

Simulacion de FM, PM y Tutorial

Modulación en Amplitud

La modulacion en amplitud es el proceso de cambiar la amplitud de la señal portadora, la cual es de frecuencia relativamente alta, en proporcion con la amplitud o valor instantaneo de la señal moduladora.

AM es una forma de modulacion relativamente poco costosa y de baja calidad que se usa para emisiones comerciales y radiocomunicaciones moviles como los radios de banda civil.

Los moduladores de AM, son dispositivos no lineales con dos entradas y una salida. Una entrada es una señal portadora de alta frecuencia y de amplitud constante y la segunda es una entrada de señal moduladora de frecuencia relativamente baja y amplitud variable. La salida contiene una señal resultante de la modulacion que se denomina señal modulada.

Existen varias formas de modulacion en amplitud, que depende de la cantidad de informacion sobre la señal modulada se desea transmitir.

Modulador AM DSBFC (Double Side Band Full Carrier)

Este tipo de modulacion se denomina modulacion convencional. La onda modulada de salida contiene todas las frecuencias que compone la señal AM y se utiliza para llevar la informacion a traves del sistema. A la forma de onda modulada se le denomina envolvente. Cuando se aplica una señal moduladora a una señal portadora, la onda de salida varia de acuerdo a la señal moduladora, en donde la envolvente de la onda modulada es exactamente igual a la señal moduladora. La siguiente figura muestra la modulacion en AM

La señal portadora Vc y la señal moduladora Vm se representan mediante las siguientes ecuaciones:

Espectro de Frecuencia de AM

La frecuencia de la señal modulada corresponde a la suma y diferencia entre la frecuencia de la señal portadora y la frecuencia de la señal moduladora, es decir, el resultado de (f_c + f_m) y (f_c - f_m). La suma y diferencia de frecuencias son desplazadas de la frecuencia portadora por una cantidad igual a la frecuencia de la señal moduladora.

La frecuencia de la señal modulada corresponde a la suma y diferencia entre la frecuencia de la señal portadora y la frecuencia de la señal moduladora, es decir, el resultado de (f_c + f_m) y (f_c - f_m). La suma y diferencia de frecuencias son desplazadas de la frecuencia portadora por una cantidad igual a la frecuencia de la señal moduladora. La siguiente figura muestra el espectro de frecuencia para una onda de AM

El espectro de AM abarca desde f_c - f_m(max) a f_c + f_m(max), en donde f_c es la frecuencia de la portadora y f_m(max) es la frecuencia mas alta de la señal moduladora. La banda de frecuencias entre f_c - f_m(max) y f_c se denomina banda lateral inferior (BLI) y cualquier frecuencia en esta banda se denomina frecuencia lateral inferior (FLI). La banda de frecuencias entre f_c y f_c + f_m(max) se denomina banda lateral superior (BLS) y cualquier frecuencia en esta banda se denomina frecuencia lateral inferior (FLS). Entonces el ancho de banda de una onda AM DSBFC es igual a la diferencia entre la frecuencia lateral superior mas alta y la frecuencia lateral inferior mas baja o dos veces la frecuencia de la señal moduladora mas alta que es: 2f_m(max).

Coeficiente de modulacion y porcentaje de modulacion

Coeficiente de modulacion es un termino utilizado para describir la cantidad de cambio de amplitud presente en una forma de onda AM. El porcentaje de modulacion es simplemente el coeficiente de modulacion establecido como un porcentaje.

El coeficiente de modulacion es:

Donde:

m = coeficiente de modulacion

E_m = cambio pico en la amplitud del voltaje de la onda moduladora.

E_c = cambio pico en la amplitud del voltaje de la onda portadora

De esta manera se puede despejar E_c y E_m obteniendo:

Las siguientes figuras muestran el coeficiente de modulacion, E_m, E_c.

El espectro de frecuencia basado en los valores de E_m y E_c se presenta en la siguiente figura

Distribucion de voltaje en AM

Una portadora puede describirse matematicamente como:

Donde:

v_c(t) = forma de onda de voltaje de la portadora

E_c = amplitud maxima de la portadora

f_c = frecuencia de la portadora.

Una señal moduladora puede describirse matematicamente como:

Donde:

V_m(t) = forma de onda de voltaje de la señal moduladora

E_m = amplitud maxima de la señal modulante

f_m = frecuencia de la señal modulante

Como la amplitud de la señal modulada varia de acuerdo a la señal moduladora se tiene entonces que:

Donde:

(E_c + E_m sen(2pf_mt) = amplitud de la onda modulada

E_m = cambio maximo de amplitud de la envolvente

f_m = frecuencia de la señal modulante

Teniendo que E_m = mE_c entonces:

En la ecuacion anterior, se nota que esta presente la señal portadora y un componente que incluye una constante mas la señal moduladora. Este segundo componente, el elemento constante produce el componente de la portadora en la onda modulada y el componente senoidal produce las frecuencias laterales. Esto se demuestra por lo siguiente:

Distribucion de potencia en AM

En todo circuito electrico la potencia disipada es igual al cuadrado del voltaje RMS dividido en la resistencia. Entonces el promedio de potencia disipada en una carga de la señal portadora es:

Donde:

P_c = potencia de la portadora en vatios

E_c = voltaje maximo de la portadora

R = resistencia de carga

La potencia de las bandas laterales es la siguiente:

La potencia total de una onda de amplitud modulada es igual a la suma de las potencias. Entonces

AM de banda lateral unica

La AM de banda lateral unica (SSBFC) es una forma de modulacion de amplitud en la que la portadora se transmite con potencia maxima, pero solo se transmite una de las bandas laterales. En consecuencia la transmision en AM SSBFC necesita la mitad del ancho de banda de un AM convencional.

La siguiente figura muestra la señal modulada SSBFC.

La ecuacion de la señal modulada en amplitud SSBFC puede ser cualquiera de las siguientes

La potencia total de una onda de amplitud modulada SSBFC es igual a la suma de las potencias de la portadora y de una de las bandas laterales. Entonces

Simulacion de AM y Tutorial