TENDENCIAS DE LAS COMUNICACIONES MODERNAS FSK PSK QAM

TENDENCIAS DE LAS COMUNICACIONES MODERNAS FSK PSK QAM CODING Digital T e c n o l o g i a s Internet OFDM Softwar e Radio Analog DSSS FH LPI/AJ Ad Hoc Networks Sistemas Cognitivos Networks AM/FM Net Mundiales Link Global Punto-a-Punto Present

Communication Systems Estructura de un Sistema de Comunicación • Fuentes de Información Señal Mensaje m(t) es la fuente de información a enviarse Posibles fuentes de información incluyen voz, música, imagenes, video, y data, las cuales son señales de banda base Las señales de banda base tienen potencia concentrada cerca DC • Estructura básica de un sistema de comunicación análogo de tiempo contínuo: m(t) Proceso de Señales Circuitos Portadora TRANSMISOR Circuitos Medio de Transmisión s(t) CANAL Portadora r(t) Procesamiento de Señales RECEPTOR 0 -2

SISTEMA DE COMUNICACIÓN Carrier signal v(t) s(t) FUENTE TRANSMISOR me. Nsaje s(t) r(t) CANAL RECEPTOR DESTINO n(t) • Señal Mensaje – Señal de información o señal de banda base • Transmisor – Convierte y transmite la señal mensaje § Convertidor de banda base – Filtrar, codificar, and multiplexar § Modulación de onda portadora § Amplificación de Potencia • Canal – Conductores o el espacio libre a través del cual la señal es transmitida (La señal es distorcionada contaminada con ruido) • Receptor – Desmodula, desmultiplea, y decodifica la señal recibida • Señal Recibida – Señal detectada en presencia de ruido, solamente es una estimación de la señal mensaje

SISTEMA TÍPICO DE COMUNICACIÓN DIGITAL Canal Discreto (Sin Memoria) Codificador Fuente de Información (1, 2, . . . Q) Encriptador Codificador de Canal Modulador de Datos Modulador de espectro Amplificador de Potencia Limitación de Potencia Tasa de la Fuente: Tasa de código: Rm = (1/Tm ) log 2 M bits per second R simbolos de salida por bits de entrada Generador de Código Ruido Sincronización Receptor de Información Decdificador de Fuente Desencriptad -or Decdificador de Canal Desmodulador de Datos Concentrador de Espectro Fuente: “Introduction to Spread Spectrum Communications” de Peterson, Ziemer, and Borth Canal de Forma de Onda Limitación de Ancho de Banda Terminal Frontal de Receptor

SISTEMA DE COMMUNICACIÓN DIGITAL

CRITERIOS DE FUNCIONAMIENTO Sistemas Digitales vs. Analógicos • Los sistemas analógicos de comunicación reproducen formas de onda (un conjunto infinito) • Los sistemas analógicos tinen mayor fidelidad (e. g. el porciento de distorción entre las formas de onda transmitida y recuperada) • Los sistemas digitales de comunicación transmiten formas de onda que representan digitos (un conjunto finito) • Los sistemas digitales tienen una baja cantidad de dígitos incorrectamente detectados

Abstracción de un Sistema de Comunicación Fuente de Información Codificador Modulador Lado del emisor Canal Lado del receptor Señal de salida Decodificador Demodulador

Communication Systems Transmisor • Procesamiento de Señales El filtrado pasabajo asegura que la señal mensaje ocupe un ancho de banada específico (e. g. en radio AM y FM, cada estación tiene asignada un rango de valores en el dominio de la frecuencia) En un sistema de comunicación digital, podemos adicionar una redundancia al flujo de bits m[n] para ayudar a la detección (y posible corrección) de errores en el receptor m(t) Procesamient o de la Señal Circuitos de Portadora TRANSMISOR Circuitos de Portadora Medio de Transmisión s(t) CANAL r(t) Procesamient o de la Señal RECEPTOR 0 -8

v. Sistemas de Comunicación Digital Análoga n Bloques comunes a todos los sistemas de comunicación 24 October, 2002 George Mason University 9

Repaso de los componentes de un sistem, a de comunicación: n n n Transductor de entrada: El dispositivo que convierte una señal física de una fuente a una señal eléctrica, mecánica o electromagnética más adecuada para la comunicación Transmisor: El dispositivo que envía la señal transducida Canal de transmisión: El medio físico a través del cual se transporta la señal Receptor: El dispositivo quue recupera la señal transmitido por el canal Transductor de salida: El dispositivo que convierte la señal recibida a una señal útil 24 October, 2002 George Mason University 10

Sistemas básicos de comunicaciones analógicas Baseband signal (electrical signal) Transductor de Entrada Transmisor Ondas EM (señal modulada) Canal de Transmisión Modulador Ondas EM Portadora Señal de Banda base Receptor (señal eléctrica) Transduct or de Salida 24 October, 2002 (señal modulada) Demodulador George Mason University 11

Communication Systems Transmisor • Circuitos de Portadora Convierten la señal de banda base a una banda de frecuencia apropriada para el canal, e. g. usando modulación analógica o digital F(w) Y(w) ½F(w + w 0) ½F(w - w 0) 1 -w 1 0 ½ w 1 w Señal Banda base m(t) Procesamient o de la Señal -w 0 - w 1 Circuitos de Portadora TRANSMISOR - w 0 -w 0 + w 1 0 Señal convertida Circuitos de Portadora Medio de Transmisión s(t) w 0 - w 1 CANAL r(t) w 0 + w 1 w Procesamient o de la Señal RECEPTOR 0 -12

Communication Systems Canal de Comunicación • Medio de Transmisión Línea alámbrica (par de cables, coaxial, fibra óptica) Inalámbrica (interior/aire, exterior/air, submarina, espacial) • La propagación de señales experimenta una degradación gradual con respecto a la distancia • “Boosting” mejora la señal y reduce el ruido, e. g. repetidoras m(t) Procesamient o de la Señal Circuitos de Portadora TRANSMISOR Circuitos de Portadora Medio de Transmisión s(t) CANAL r(t) Procesamient o de la Señal RECEPTOR 0 -13

Communication Systems Zonas de Recepción e Información • Receptor Los circuitos de portadora anulan los efectos de los circuitos de portadora en el transmisor, e. g. convierten de señal pasa banda a señal banda base El subsistema de procesamiento de señales extrae y mejora la señal banda base • Zonas de información Dispositivos de salida, e. g. pantallas de conmputadora, bocinas, pantallas de TV m(t) Procesamient o de la Señal Circuitos de Portadora TRANSMISOR Circuitos de Portadora Medio de Transmisión s(t) CANAL r(t) Procesamient o de la Señal RECEPTOR 0 -14

Areas de Aplicación • Control • Comunicaciones • Procesamiento de Señales

Aplicaciones de Control • Control y automatización ndustrial (Control de la velocitad o posición de un objeto) • Ejemplos: Controlar la posición de una valvula o eje de un motor • Herramientas Importantes: – Solución de ecuaciones diferenciales en el dominio del tiempo – Función de Transferencia (Transformada de Laplace) – Estabilidad

Aplicaciones en Comunicaciones • Transmisión de información (señal) a través de un canal • El canal puede ser el espacio libre, cable coaxial, fibra óptica • Componente clave de la transmisión: Modulación (Comunicación Analógica y Digital)

Aplicaciones de Procesamiento de Señales • Procesamiento de señales=Aplicación de algoritmos para modificar señales de tal manera que se hagan más útiles. • Metas: – Transmisión eficiente y confiable, almacenamiento y despliegue de la información – Extracción y mejora de la Información • Ejemplos: – – Procesamiento de sonido y audio Procesamiento Multimedia (imágen y video) Acústica submarina Análisis de señales biológicas

Aplicaciones Multimedia • Compresión: Rápida, eficiente, confiable transmisión y almacenamiento de datos • Aplicación sobre datos de audio, imágenes y video para su transmisión por Internet, almacenamiento • Ejemplos: CDs, DVDs, MP 3, MPEG 4, JPEG • Herramientas matemáticas: Transformada de Fourier, Quantización, Modulación

Ejemplo JPEG 43 K 13 K 3. 5 K • JPEG usa Transformada Discreta-Coseno (similar a la Transformada de Fourier)

Análisis de Señales Biológicas • Ejemplos: – Señales del cerebro (EEG) – Señales cardíacas (ECG) – Medical images (x-ray, PET, MRI) • Metas: – Detectar actividad anormal (fallas o ataque cardíaco) – Ayudar al médico en el diagnóstico de padecimientos • Herramientas: Filtrado, Transformada de Fourier

Ejemplo • Las ondas cerebrales están usualmente contaminadas por ruidoy son difíciles de interpretar and hard to interpret

Biometría • Identificar a una persona mediante sus caracterízticas fisiológicas • Ejemplos: – Identificación por Huella Digital – Reconocimiento Facial – Reconocim, iento de Voz

Procesamiento de Señales de Audio • Cancelación Activa de ruido : Filtrado adaptativo – Audífonos de cabina • Efectos de Audio Digital – Adicionar efectos musicales especiales como retraso , eco, reverberación • Separación de señales de Audio – Separar la interferencia de sonido deseado – Sonido del viento de la música en carros

Ejemplo de Filtrado

Procesamiento Digital de Señales y sus Beneficios Por señal nos referimos a cualquier variable que transporta o contiene alguna clase de información que puede ser comunicada, desplegada o manipulada. Ejemplos de señales de particular interés: - El habla, la encontramos en telefonía, radio, y la vida diaria - Señales biomédicas, (señales del corazón, del cerebro) - Sonido y música, de un reproductor de discos compactos - Video e imágen, - Señales de radar, usadas para determinar la posición y localización de blancos distantes

La atracción hacia el DSP se debe a ventajas clave tales como : * Precisión garantizada: (la precisión está determinada unicamente por el número de bits usado) * Perfecta Reproducibilidad: Funcionamiento idéntico de unidad a unidad ie. Una grabación digital puede ser copiada o reproducida varias veces sin pérdida en la calidad de la señal * No ocurre alentamiento del funcionamiento con la temperatura y el tiempo * Usa los avances en la tecnología de los semiconductores para lograr: (i) menor tamaño (ii)bajos costos (iii) bajos consumos de energía (iv) altas velocidades de operación * Mayor flexibilidad: Reprogramables , sin necesidad de modificar el hardware * Funcionamiento Superior ie. Se puede lograr respuesta lineal con respecto a la fase Es posible un complejo filtrado adaptativo

Desventajas del DSP * Rapidez y Costo Los diseños en DSP pueden ser caros, especialmente cuando están involuicradas señales con anchos de banda grandes. ADC o DACs son muy caros o no tienen suficiente resolución para aplicaciones de ancho de banda grandes. * Los diseños de DSP pueden ser consumidores de tiempo y necesitar los recursos necesarios (software, etc) * Problemas de longitud finita de palabras Si se utiliza solamenmte un número limitado de bits, debido a consideraciones económicas, puede resultar una seria degradación en el funcionamiento del sistema.

Areas de Aplicación Procesamiento de imágenes Reconocimiento De Patrones Visión Robótica Mejora de imágenes Facsimil animación Instrumentación/Control Voz/Audio Análisis de reconocimiento espectros de voz Reducción ruido Síntesis del Habla Compresión de datos Texto a habla Posición y Tasa Audio digital control equalización Telecomunicaciones Cancelación de Eco Ecualización adaptativa ADPCM trans-codificadores Proliferación de espectro Video conferencias Biomedica monitoreo de pacientes escaners Mapeadores del cerebro. EEG Análisis de ECG Almacenar/mejora Rayos. X Militar comunicaciones seguras Prosesamiento de Radar Procesamiento de Sonar Guía de Proyectiles Aplicaciones al Consumidor Telefonía móvil UMTS television digital camaras digitales telefonía por internet etc.