SISTEMAS DE COMUNICACIÓN DIGITALES Y ANALÓGICOS
SISTEMAS DE COMUNICACIÓN DIGITALES Y ANALÓGICOS
Séptima edición
LEON W. COUCH, II Profesor Emérito Electrical and Computer Engineering University of Florida, Gainesville
TRADUCCIÓN:
Ricardo Javier Romero Elizondo REVISIÓN TÉCNICA:
José Luis Cuevas Ruiz Departamento de Electrónica Departamento Instituto Tecnológico Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, Campus Estado de México
Datos de catalogación bibliográfica COUCH, W. LEON, II Sistemas de comunicación digitales y analógicos. Séptima edición
PEARSON EDUCACIÓN, México, 2008 ISBN: 978-970-26-1216-2 Área: Ingeniería Formato: 20 25.5 cm
Páginas: 784
Authorized translation from the English language edition, entitled Digital and analog communication systems, 7th edition by Leon W. Couch, published by Pearson Education, Inc., as Prentice Hall, Copyright © 2007. All rights reserved. ISBN 0131424920 Traducción autorizada de la edición en idioma inglés titulada Digital and analog analog communication communication systems, 7a edición por Leon W. Couch, publicada por Pearson Education, Inc., como Prentice Hall, Hall, Copyright © 2007. Todos los derechos reservados. Esta edición en español es la única autorizada.
Edición en español Editor: Luis Miguel Cruz Castillo e-mail:
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SÉPTIMA EDICIÓN, 2008 D.R. @ 2008 por Pearson Educación de México, S.A. de C.V. Atlacomulco 500-5o. piso Col. Industrial Atoto 53519, Naucalpan de Juárez, Estado de México Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana. Reg. Núm. 1031. Prentice Hall es una marca registrada de Pearson Educación de México, S.A. de C.V. Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de esta publicación pueden reproducirse, registrarse o transmitirse, por un sistema de recuperación de información, en ninguna forma ni por ningún medio, sea electrónico, mecánico, fotoquímico, magnético o electroóptico, por fotocopia, grabación o cualquier otro, sin permiso previo por escrito del editor. El préstamo, alquiler o cualquier otra forma de cesión de uso de este ejemplar requerirá también la autorización del editor o de sus representantes.
ISBN: 978-970-26-1216-2 Impreso en México. Printed in Mexico. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 - 11 10 09 08
A mi esposa, Margaret Wheland Couch, y a nuestros hijos, Leon III, Jonathan y Rebecca
CONTENIDO
PREFACIO
xix
LISTA DE SÍMBOLOS
xxiii
1 INTRODUCCIÓN
1
1–1
Una perspectiva histórica 2
1–2
Fuen Fu ente tess y sis siste tema mass dig digit ital ales es y ana analó lóggic icos os 5
1–33 1–
Form Fo rmas as de on onda da de dete term rmin inís ísti tica cass y al alea eato tori rias as 6
1–44 1–
Orga Or gani niza zaci ción ón de es este te li libr broo
1–5
Usoo de Us de una una co com mpu puta tado dora ra pe pers rsoona nall y MA MATL TLAB AB 7
1–66 1–
Diag Di agra rama ma de bl bloq oque uess de de un un sis siste tema ma de co comu muni nica caci ción ón 8
6
vii
viii
Contenido
1–77 1–
Asig As igna naci cion ones es de fr frec ecue uenc ncia iass
10
1–88 1–
Prop Pr opag agaaci ción ón de ond ndas as el eleect ctro roma magn gnééti tica cass 12
1–99 1–
Medi Me dici ción ón de in info form rmac ació iónn
16
1–10 1– 10 Ca Capa paci cida dadd de ca cana nall y sis siste tema mass de co comu muni nica caci ción ón ide ideal ales es 18 1–11 Codificación 19 Códigos de bloque, 20 Códigos convolucionales, 22 Entrelazado Entrelazad o de código, 25 Rendimiento de código, 25 Modulación Modulac ión por codificación convolucional, convolucional, 28
1–12 Avance 29 1–13 Ejemplos de de es estudio 29 Problemas 30 2
PROPIEDADES DE SEÑALES Y RUIDO
2–1
33
Señales y espectros 33 Formas de onda físicamente realizables 34 Operador de promedio de tiempo 35 Valor de DC 36 Potencia 37 Valor RMS y potencia normalizada 39 Formas de onda de energía y de potencia 40 Decibel 40 Fasores 42
2–22 2–
Tra rans nsfo form rmaada y es espe pecctr tros os de Fo Four urie ierr 43 Definición 43 Propiedades de las transformadas de Fourier 46 Teorema de Parseval y densidad espectral de energía 48 Función delta de Dirac y función escalón unitario 51 Pulsos rectangulares y triangulares 54 Convolución 58
2–3
Densid Den sidad ad esp espect ectral ral de pot potenc encia ia y fun funció ciónn de aut autoco ocorrel rrelaci ación ón
61
Densidad espectral espectral de potencia 61 Función de autocorrelación 63
2–44 2–
Repr Re pres esen enta taci ción ón de de señ señal ales es y ruid ruidoo por por medi medioo de de ser serie iess ort ortog ogon onal ales es 65 Funciones ortogonales 65 Series ortogonales 67
2–5
Series de Fourier 68 Series complejas de Fourier 68
ix
Contenido
Series de Fourier en cuadratura 70 Series polares de Fourier 71 Espectros de línea para formas de onda periódicas 73 Densidad espectral espectral de potencia para formas de onda periódicas 77
2–6
Repaso de de si sistemas lilineales 79 Sistemas lineales invariables con el tiempo 79 Respuesta de impulso 79 Función de transferencia 80 Transmisión sin distorsión 83 Distorsión de señales de audio, de video y de datos 84
2–7
Seña Se ñale less li limi mita tada dass po porr ba band ndaa y ru ruid idoo 86 Formas de onda limitadas por banda 86 Teorema de muestreo 87 Muestreo de impulso y procesamiento digital de señales (DSP) 90 Teorema de dimensionalidad 93
2–8
Transfo forrmada di discreta de de Fo Fourier 94 Utilizando la DFT para calcular la transformada continua de Fourier 95 Utilizando la DFT para calcular las series de Fourier 100
2–9
Ancho de banda de señales 101
2–10 Resumen 110 2–11 Ejemplos de estudio 110 Problemas 115 3
PULSO DE BANDA BASE Y SEÑALIZACIÓN DIGITAL
3–1 3–2
Introducción 128 Modulación de de am amplitud de de pu pulsos 129 Muestreo natural (por compuerta) compuerta) 129 Muestreo instantáneo instantáneo (PAM plana) 133
3–3
Mod odul ulac ació iónn por por cod odif ific icac ació iónn de de pul pulssos 13 1377 Muestreo, cuantización cuantización y codificación 138 Circuitos prácticos de PCM 138 Ancho de banda de señales PCM 142 Efectos del ruido 143 Cuantificación no uniforme: compresión y modulación M-Law y A-Law 147 Módem V.90 de PCM a 56 kb/s para computadora 151
3–4
Señalización di digital 152 Representación Representa ción vectorial 153 Estimación de ancho de banda 155 Señalización binaria 156 Señalización multinivel 158
128
x
Contenido
3–55 3–
Cod odif ific icac ació iónn y esp speect ctro ross de lí línnea 160 Codificación binaria de línea 160 Espectro de potencia para códigos de línea binarios 163 Codificación diferencial 169 Diagramass de ojo 170 Diagrama Repetidoress regenerativos 171 Repetidore Sincronización de bit 173 Espectros de potencia para señales multinivel polares NRZ 176 Eficiencia espectral 179
3–6
Interferencia in inters rsiimbólica 180 Primer método de Nyquist (cero ISI) 182 Filtro de coseno elevado de Nyquist 183 Segundo y tercer métodos para el control de ISI de Nyquist 188
3–77 3– 3–8
Modu Mo dula laci ción ón por por co codi difi fica caci ción ón de de pul pulso soss dif difer eren enci cial al 18 1888 Modulación delta 192 Ruido granular y ruido de sobrecarg sobrecarga a de pendiente 194 Modulación delta adaptable y modulació Modulación modulación n delta de pendiente continuamente variable 197 Codificación de voz 199
3–99 3–
Mul ulti tipl plex exió iónn po porr di divi vissió iónn de ti tiem empo po 19 1999 Sincronización de trama 200 Líneas síncronas y asíncronas 202 Jerarquía de TDM 206 El sistema T1 de PCM 211
3–10 3– 10 Si Sist stem emaa de de tra trans nsmi misi sión ón de pa paqu quet etes es 21 2133 3–11 Modulación Modulación por tiempo tiempo de pulsos: pulsos: modula modulación ción por ancho ancho de pulso pulso y modul modulaci ación ón por por posi posició ciónn de pul pulso so 213 3–12 Resumen 215 3–13 Ejemplos de estudio 218 Problemas 221 4
PRINCIPIOS Y CIRCUITOS DE SEÑALIZACIÓN PASABANDA
4–11 4–
Repr Re pres esen enta taci ción ón de de envo envolv lven ente tess comp comple leja jass de for forma mass de ond ondaa pasa pasaba band ndaa 23 2300 Definiciones: Definicione s: banda base, pasabanda y modulación 231 Representación Representa ción de la envolven envolvente te compleja 231
4–22 4–
Rep epre ressen enta tacció iónn de de señ señal alees mod modul ulad adaas 23 2333
4–3
Espectro de de se señales pa pasabanda 234
230
xi
Contenido
4–4
Evaluación de potencia 237
4–5
Filt Fi ltra rado do pas asaaba band ndaa y di dist stor orsi sióón lin linea eall 24 2400 Filtro pasabajas equivalente 240 Distorsión lineal 242
4–6
Teorema de de mu muestreo pa pasabanda 244
4–7
Señal re recib ibiida co con ru ruido añ añadido 245
4–88 4–
Clas Cl asif ific icac ació iónn de fi filt ltro ross y am ampl plif ific icad ador ores es 24 2466 Filtros 246 Amplificadores 250 Amplificadores
4–9
Distorsión no lineal 251
4–10 Limitadores 256 4–11 4– 11 Me Mezc zcla lado dore ress y conv conver ertid tidor ores es ele eleva vado dore ress y redu reduct ctor ores es 25 2577 4–12 4– 12 Mu Mult ltip ipli lica cado dore ress de fr frec ecue uenc ncia ia 26 2633 4–13 Circ rcuuitos de detectore ress 265 Detector de envolvente 265 Detector de producto 266 Detector de modulación en frecuencia 268
4–144 Laz 4–1 Lazos os eng enganc anchad hados os por fas fasee y sint sinteti etizad zadore oress de fre frecue cuenci nciaa 273 4–1 –155 Sí Sínt ntes esis is di digi gita tall di dire reccta 28 2811 4–1 –166 Tra rans nsmi miso sore ress y re rece cept ptoore ress 28 2811 Transmisores generalizados 281 Receptor generalizado: generalizado: el receptor superheterodino 283 Receptoress de IF en cero 287 Receptore Interferencia Interferenc ia 288
4–17 Software radio 288 4–18 Resumen 289 4–19 Problemas de estudio 289 Problemas 295 5
SISTEMAS MODULADOS DE AM, FM Y DIGITALES
5–1 5–22 5–
Modulación en amplitud 303 Está Es tánd ndar ares es té técn cnic icos os de di difu fusi sión ón po porr AM AM y di difu fusi sión ón di digi gita tall por por AM 30 3088 Difusión digital por AM 309
5–33 5–
Dobl Do blee ba band ndaa la late tera rall co conn po port rtad ador oraa su supr prim imid idaa 31 3100
5–4
Lazo de de co costas y lazo cu cuadrático 310
302
xii
Contenido
5–55 5–
Seña Se ñale less as asim imét étri rica cass de de ba band ndaa la late tera rall 31 3122 Banda lateral única 312 Banda lateral vestigial 316
5–66 5–
Modu Mo dula laci ción ón en fa fase se y mod modul ulac ació iónn en en fre frecu cuen enci ciaa 31 3188 Representación de señales PM y FM 318 Representación Espectros de señales moduladas por ángulo 323 Modulación Modulac ión por ángulo de banda estrecha 328 Modulación Modulac ión en frecuenc frecuencia ia de banda ancha 329 Preénfasis y deénfasis en sistemas modulados por ángulo 333
5–77 5– 5–88 5–
Mult Mu ltip iple lexi xión ón po porr div divis isió iónn de de fre frecu cuen enci cias as y FM FM en es esté tére reoo 33 3333 Está Es tánd ndar ares es té técn cnic icos os de di difu fusi sión ón po porr FM FM y dif difus usió iónn dig digit ital al po porr FM FM 33 3377 Difusión digital por FM 337
5–99 5–
Seña Se ñali liza zaci ción ón pa pasa saba band ndaa mo modu dula lada da bi bina nari riaa 33 3399 Modulación de encendid Modulación encendido-apaga o-apagado do (OOK) 339 Modulación Modulac ión por corrimiento de fase binaria (BPSK) 343 Modulación Modulac ión por corrimiento de fase diferencial (DPSK) 345 Modulación Modulac ión por corrimiento de frecuencia (FSK) 345
5–10 5– 10 Se Seña ñali liza zaci ción ón pa pasa saba band ndaa mu mult ltin iniv ivel el mo modu dula lada da 35 3522 Modulación por corrimiento de fase en cuadratura (QPSK) Modulación y modulación por corrimiento de fase M-aria (MPSK) Modulación Modulac ión en amplitud en cuadratura (QAM) 355 OQPSK y /4 QPSK 358 PSD para MPSK, QAM, QPSK, OQPSK y π /4 QPSK 359 Eficiencia espectral para MPSK, QAM, QPSK, OQPSK y π /4 QPSK con filtrado de coseno realzado 361
352
5–11 5– 11 Mo Modu dula laci ción ón por por co corr rrim imie ient ntoo míni mínimo mo (M (MSK SK)) Y GMS GMSK K 36 3622 5–122 Mul 5–1 Multip tiplex lexión ión por div divisi isión ón de fre frecue cuenci ncias as ort ortogo ogonal nales es (OF (OFDM) DM) 367 5–13 5– 13 Si Sist stem emas as de es espe pect ctro ro en ensa sanc ncha hado do 37 3722 Secuencia directa 373 Salto de frecuencias 379 Bandas de frecuencia de SS 379
5–14 Resumen 379 5–15 Ejemplos de estudio 381 Problemas 384 6
PROCESOS ALEATORIOS Y ANÁLISIS ESPECTRAL
6–1
Algunas definiciones básicas 398 Procesos aleatorios 398 Estacionalidad y ergodicid Estacionalidad ergodicidad ad 399 Funciones de correlación y estacionalidad en sentido amplio 403 Procesos aleatorios complejos 405
397
xiii
Contenido
6–2
Densidad es espectral de de po potencia 407 Definición 407 Teorema de Wiener-Khintchine 408 Propiedades de la PSD 411 Fórmula general para la PSD de señales digitales 415 Procesos de ruido blanco 418 Medición de la PSD 419
6–33 6– 6–4
Valo Va lore ress de DC y RM RMSS pa para ra pr proc oces esos os er ergó gódi dico coss al alea eato tori rios os 42 4200 Sistemas lineales 422 Relaciones de entrada a salida 422
6–5
Mediciones pa para el el an ancho de de ba banda 427 Ancho de banda equivalente 427 Ancho de banda de RMS 427
6–6
El pr proceso al aleatorio gaussiano 429 Propiedades de los procesos gaussianos 430
6–7
Procesos pasabanda 434 Representaciones Representa ciones pasabanda pasabanda 434 Propiedades de procesos WSS pasabanda 437 Demostraciones Demostrac iones de algunas propiedades 442
6–8
Filtros acoplados 447 Resultados generales generales 447 Resultados para el ruido blanco 449 Procesamiento de correlación 454 Filtro transversal acoplado 455
6–9
Resumen 458
6–10 6– 10 Ap Apén éndi dice ce:: demo demost stra raci ción ón de de la de desi sigu gual alda dadd de Sc Schw hwar arzz 46 4600 6–11 Ejemplos de estudio 462 Problemas 465 7
RENDIM REND IMIEN IENTO TO DE SIS SISTE TEMA MAS S DE DE COM COMUN UNIC ICAC ACIO IONES NES DISTORSIONADOS POR RUIDO
7–11 7–
Prob Pr obab abil ilid idad ades es de er erro rorr para para se seña ñali liza zaci ción ón bi bina nari riaa 47 4777 Resultados generales generales 477 Resultados para el ruido gaussiano 479 Resultados para el ruido blanco gaussiano y recepción por filtro acoplado 481 Resultados para el ruido coloreado gaussiano y recepción por filtro acoplado 482
7–22 7–
Rend Re ndim imie ient ntoo de de sis siste tema mass bin binar ario ioss en en ban banda da ba base se 48 4833 Señalización unipolar 483 Señalización polar 486 Señalización bipolar 486
476
xiv
Contenido
7–33 7–
Dete De tecc cció iónn cohe cohere rent ntee de se seña ñale less bina binari rias as pa pasa saba band ndaa 48 4888 Modulación Modulac ión de encendid encendido-apaga o-apagado do 488 Modulación Modulac ión por corrimiento de fase binaria 490 Modulación Modulac ión por corrimiento de frecuencia 491
7–44 7–
Dete De tecc cció iónn no coh coher eren ente te de de seña señale less bina binari rias as pas pasab aban anda da 49 4944 Modulación Modulac ión de encendid encendido-apaga o-apagado do 494 Modulación Modulac ión por corrimiento de frecuencia 498 Modulación Modulac ión por corrimiento de fase diferencial 500
7–5 7–66 7–
Modula Mod ulació ciónn por por cor corrimi rimient entoo de de fase fase en cua cuadra dratur turaa y mod modula ulació ciónn por por cor corrim rimien iento to mín mínimo imo 502 Comp Co mpar arac ació iónn de de sis siste tema mass de de señ señal aliz izac ació iónn dig digit ital al 50 5044 Tasa de error en el bit y ancho de banda 504 Error en el símbolo y error en el bit para señalización multinivel multinivel 506 Sincronización 507
7–77 7–
Razó Ra zónn señ señal al a rui ruido do de sa sali lida da pa para ra si sist stem emas as PC PCM M 50 5088
7–88 7–
Razo Ra zone ness se seña ñall a ru ruid idoo de de sa sali lida da pa para ra si sist stem emas as an anal alóg ógic icos os 51 5144 Comparación con los sistemas en banda base 514 Sistemas de AM con detección de producto 515 Sistemas de AM con detección de envolvente 517 Sistemas de DSB-SC 518 Sistemas de SSB 519 Sistemas de PM 519 Sistemas de FM 523 Sistemas de FM con extensión de umbral 526 Sistemas de FM con deénfasis 528
7–99 7–
Comp Co mpar arac ació iónn de sis siste tema mass de señ señal aliz izac ació iónn anal analóg ógic icaa 53 5311 Rendimiento de un sistema ideal 531
7–10 Resumen 534 7–11 Ejemplos de estudio 534 Problemas 543 8
SISTEMAS DE COMUNICACIONES ALÁMBRICOS E INALÁMBRICOS
8–11 8–
El des desar arro roll lloo expl explos osiv ivoo de las las tel telec ecom omun unic icac acio ione ness 55 5511
8–2
Sistemas te telefónicos 552 Base histórica 552 Sistemas telefónicos modernos y terminales remotas 553
8–33 8–
Lín ínea eass de sus usccri rippto torr di digi gita tall (D (DSL SL)) 55 5599 Líneas de suscriptor digital G.DMT y G.Lite 560 Video sobre demanda (VOD) 562 Red digital de servicios integrados integrados (ISDN) 562
551
xv
Contenido
8–44 8–
Capa Ca paci cida dade dess de de las las re rede dess púb públi lica cass tel telef efón ónic icas as co conm nmut utad adas as 56 5655
8–5
Sist Si steema mass de de com comun unic icac acio ionnes ví víaa sat satééli lite te 56 5655 Transmisión de televisión digital y analógica 570 Acceso múltiple de datos y de señal telefónica 572 Radiodifusión Radiodifus ión vía satélite 577
8–6
Análisis de balance de enlace 579 Potencia de señal recibida 580 Fuentes de ruido térmico 582 Caracterización de fuentes de ruido 583 Caracterización del ruido de dispositivos lineales 584 Caracterización del ruido de dispositivos lineales en cascada 590 Evaluación Evaluació n del balance de enlace 592 Balance de enlace de E b /N 0 para sistemas digitales 594 Pérdida en trayectoria para ambientes urbanos inalámbricos 595
8–7 8–8
Sistemas de fibra óptica 599 Sistemas de telefonía celular 603 Primera generación (1G), el sistema analógico amps 604 Segunda generación (2G), los sistemas digitales 607 Los sistemas PCS en la banda de 1,900 MHz 610 Estado de las redes de 2G 611 Sistemas de tercera generación (3G) 611
8–9
Televisión 612 Televisión en blanco y negro 612 Sonido MTS en estéreo estéreo 619 Televisión a color 619 Estándaress para sistemas de TV y CATV 624 Estándare TV digi digital tal (DTV) (DTV) 632
8–1 –100 Mód ódem emss pa para ra da dato toss por por ca cabble 63 6366 8–1 –111 Red edes es in inaalá lámb mbri rica cass de de da dato toss 63 6377 Wi-Fi 637 Wi-Max 639
8–12 Resumen 640 8–13 Ejemplos de estudio 640 Problemas 645 APÉNDICE A TÉCNICAS, IDENTIDADES Y TABLAS MATEMÁTICAS
A–1
Tri rigo gono nome metr tría ía y núm númeero ross com compl plej ejos os 65 6533 Definiciones 653 Definiciones Identidades Identidad es trigonométricas y números complejos 653
A–2
Cálculo diferencial 654 Definición 654 Reglas de diferenciación 654 Tabla de derivadas 654
653
xvi
Contenido
A –3 A –4
Formas in indeterminadas 655 Cálculo de integrales 655 Definición 655 Técnicas de integración 656
A –5
Tablas de integrales 656 Integrales indefinidas indefinidas 656 Integrales definidas definidas 657
A –6
Expansiones de series 658 Series finitas 658 Series infinitas 658
A–77 A– A –8
Pare Pa ress de tr tran anssfo form rmaada de Hil ilbe bert rt 65 6599 La fu función de delta de de Di Dirac 659 Propiedades de las funciones delta de Dirac 660
A –9
Tabulación de Sa ( x x ) (sen x ) / x 661
A–10 A– 10 Ta Tabu bula laci ción ón de Q ( z z ) 662 APÉNDICE B PROBABILIDAD Y VARIABLES ALEATORIAS
B–1
Introducción 664
B–2
Conjuntos 665
B–33 B–
Prob Pr obab abil ilid idaad y fre freccue uenc ncia ia re rela lati tiva va 66 6666 Probabilidad simple 666 Probabilidad conjunta 667 Probabilidades condicionales 668
B–4
Variables aleatorias 669
B–55 B–
Funcio Func ione ness de dis distr trib ibuc ució iónn acum acumul ulat ativ ivaa y funcio fun ciones nes de dens densida idadd de prob probabi abilid lidad ad 669 Propiedades de CDF y PDF 672 Distribuciones Distribucion es discretas y continuas 672
B–6
Promedio co conjunto y momentos 676 Promedio conjunto 676 Momentoss 677 Momento
B–77 B–
Ejem Ej empl plos os de di dist stri ribu buci cion ones es im impo port rtan ante tess 67 6799 Distribución binomial binomial 679 Distribución de Poisson 682 Distribución uniforme uniforme 682 Distribución gaussiana gaussiana 682 Distribución senoidal senoidal 687
B–88 B–
Tran Tr ansf sfor orma maci cion ones es de fu func ncio ione ness de de var varia iabl bles es al alea eato tori rias as 68 6877
664
xvii
Contenido
B–9
Estadísticas multivariantes 692 CDF y PDFa multivariantes 692 Estadísticas bivariantes bivariantes 694 Distribución gaussiana gaussiana bivariante 695 Transformación de función multivariante 696 Teorema del límite central 698
Problemas 700 APÉNDICE C EM EMPLEO DE MATLAB
C–1
Guía Gu ía rá rápi pida da pa para ra ej ejeecu cuta tarr arc archi hivo voss M 70 7077
C–2
Programación en en MA MATLAB 708
706
REFERENCIAS
710
RESPUESTAS A PROBLEMAS SELECTOS
723
ÍNDICE
729