a una mi de
X.2
XJ
".,...,.
X.2Obi. X.21bil
X.28
redes púhlku de
UIO de
()'fE en
1, rI.'d. X.7S
X. 121
P,.... «IillÚtnlOS de ~ de Ib~ . tCfll,i~ Yde utn~ito. Yde .¡~cn",
individuales que comienc:n los dalOS del suscriptor diri girán su propio ruta por la =1 de WIlmui.Pción ATh1 en ]iempo real. usando iU propia di~iÓf1 en lugar de runfiar en un I)fU(;('SO c:J(tcmo que c:slllblu.ca la rulll di! WIlnlulllción. Una celd;t es un paquete de datos cono y de Ioogiloo fija. ElI ATM Sl: osnn oollulf'$ ,';rtJl(Jlu (VC. de;: ,·;,.,unl chamtf'1) y ",tM ";rtualf'$ (VP. de ";1'1'0(11 IMIII) para conducir las celdas lllr'oIvés de una red. En escoclll. un canal vinulll es sólo una corte· .ión enln: un lugll/' de fuente y uno de destino. y ~ puede implicll/' ei establecimientu de varios en lllCeS ATM entre centros loI:llles de conmulllCión. En ATh1. todas las l'Omunkadones se hacen en el canal vinual. que preserva la secuencia de Cdd..1S. Porotro lado. una ruta vinual cs un grupo de canalc:s vinuaJes conectados entre dos puntos. que podrian implkar lIariOS enlaces ATM . Una cel da ATM comiene toda la inronnac ión de red lI«'CSaria para mandar celdllS indi vi· duald de nodo a nodo por una conexión ATM prec.ltablecida. La fig. 14·9 muestrn la estructuro. de ce ldas ATM. que tiene 53 bytes de longitoo. incluidos un campo de: encahc:7..ado de 5 bytes y uno de infonnación. de 48 b)·tcs. El campo de inr()f11lll(ión consiste ~Io de datos del usuario. Las celdas individuales se pueden entremezc lar y ser mandadas a su destioo por la ~ de comunicaciones. El ea mpo de encabezado es para fines de conex ión de red. Y contiene toda la informoc ión de dirc:a;:ión y eontrol necesaria panI controlar dirc:«iones y flujos. Campo de di~16n ATM. L:t. fig. 14· 10 mUestra la cstructu r.¡ del campo de direceiÓfL ATf> I, de 5 b)·tcs. que incluye 11.1 siguiente: campo de control de flujo genéricu. idcnt ifi eador de trayectoria vinual. identificador de canal ,'in ua\. idc:ntificador del tipo de co"ten ido, prioridad de pmtida de celda y control de error de encahc:zado.
Compo df' control de flujo gen / rico (Gr.c. de Gen"ric ,.-,0.... ConrlT!l l'-i~/dl. El campo GFC usa los cuatro pri meros bits del primer byte en el campo de: encabezado. El GFC controla el nujo de l tr.!.fico D tro."c!s de: lo intcñv. de l usuariu con la red y IDc:ntrada a la red. Identificador de troyeetorio ~ir1ual (VP!. de Viril/ni Patll Idtnlifier) e idtntifir:adQr de canal ~jr1.,al (Ve!. de Vin!u!1 ChunnI'I IJl'nlifier). Los 24 bitll quc s illuen de inmediato al GFC
se usan ¡x,rn la dirección ATM. Identlf~adOT dt
tipo de contenida (PT. de ¡>ayl'N!J TY/N') . Los primeros l ~ bi t~ de 13 segunda mitad del byte 4 c:specirI('an el tipo de mensaje c:n la ce lda. ConlO hay tres bilS. lIay ocho
632
Capitulo 14
Mal rF11 protegido p-?r derechos de '1U ':Ir
GFC : VPI •
,
(<4 ) : (<4)
VPI
VCI
ve,
vel :
HEe
Campo de inlo<.....
(<4)
(<4)
,8)
(<4 ) :
18'
,
~de48bytn
2
•
•
3
FIGURA 14-9 ESUUC1u'1I del campo de encabamdo ATM con .......... bytes
8~.~
[.~~.:, I
Campo de Into.mac;,)n
I
'---C,C---Í-------:",------"
FIGURA 14-10 Estrvcnra de celda de ATM
tipos diSlintos de contenido posibles. Sin embargo, en la actualidad los tipos Oa 3 se usan para identificar la da.se de datos del usuario. los ti pos 4 y.5 inditan información administrntivlI y los tipos 6 Y 7 se ll'SC1Van para usos futuros. Prioridad d, pirdida d, ctlda (CLP, de C,U Lon Priority). El último bit del byte 4 es para indicar si una celda es elegible para ser desechado. por la mi durante periodos de tromco congestionado. El usuario activa o desactiva el bit CLP. Si está puesto. la red puede de!iethaT la celda durante horas de gl1lll tráfico. Control d, ,rro, d, , ncab,tJUlo (I'IEC, de llrod" Error COn/rol). El último byte del campo de eocabezado es parn control de errores. y se usa para detectar y COi legir errores de un bil que sólo sucedan en el campo del encabezado: el no prelende ser un canit1er de \'erificación de toda la celda. El valor que se porte en el HEe se eak ul a ron los euatm bytes anteriores del campo de encabezado. HEC propon:iona algo de protección contrn la entll'ga de celdas a direcciones equivocadas de: recepc ión.
.'EC
Campo de infonnad6n ATM. El campo de información de 48 bytes se: reserva para datos de l usuario. La inserción de dalos al campo de información dc una celda es una fuoci6n de la mitad superior de la capa dos en lajcmrqufa de proIocolo ISO-OSI de siete capas. En forma especflico.. esta capa se llama capa de adaptaei6n ATM (AAL). La AAL pel ll ,¡te que ATM tenga la ~til id:Jd. roeces.uia para faci litar. en un 5010 formato, uno. gr".Ifl variedad de distintas dases de servicios, que van desdc sellales de: pnxeso rontinuo. roniO tnlrlsmisiÓll de: V01~ hasta mensajes que lleven impulsos de dalOS muy fr,¡gmentados. como los que prodocen las redes de drea local. Como la mayorfa de los datos del usuario ocupan más de 48 bytes, la AALdivide la información en grupos de 48 b)'kS Y los pone en una serie de segmentos. Los cinco tipos de AA L son: 1. FreculIrda roas/onU di' bits (CSR. de ronSIlJn/ bil rolt'). Los campos de información c llR son para acomodar el tnifico PCM-TD M. que pemlile que la mi ATM emule los
servicios de \'OlO DSN. 2. S,n,;cios unsiblt's Il sincroni;pd6n d,jrecu,ncial'/1riabl, di! biu (VB R. de wlriabl, bit mlt'). Esta clase de AA L no cstá definida en la actual idad: sin embargo. se reserva para servicios de datos en el futuro. que rrquieran la tr.lIIsferencia de inform3Ción de reloj entre los puntOS terminales. asr romo de dalOS (es deci r. video de paquetes). 3. TmnsftTrl1da dt IIOIOS VBR Qritnladn a ronl.rión. Los campos de información tipo 3 transfieren datos VBR. como por ejemplo. los dalOS impullJvos que se: generan a intervalos irregulares enue dos suscriptores en un enloce preestablecido de dalos. El enlace de datOS se establece con procedimientos de: sello.lización de red que se parecen mucho a los que se usan en la mi telefónica pública conmutada. Esu!. clase de servicios es para tr.msferencias de datos grandes y de sran duración, como por ejemplo, transfell'ncias y respaldos de archi\·os. 4 . Tmnsftrel1C"ja lit mllol V8R Jin cQlluión. Este ,ipo deAAL permite la t rnn ~ miJión de dWK VBR que: 110 tengan una conexión prt:cstablecida. Los campos de: información tipo 4 son para usarse en transmisiones cottas y de muchos impu]¡¡os, como por ejemplo, las que se generan en una red de área local. Protocolos de comunicaci6n de datoe y configuracionH de red
633 Mat rnl protegido p?r derechos dE>
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51 .8. MbpI
STS-l
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Envolvenll de c.'I!_ útil
tr_napon_ ~ ITOH)
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• 9 12Q 121 122 723
¡... FIGURA 14-11
N.
• •
125 11 1
• • • 809810
.¡
Formato de tr'8ma SCN:T STS1
by¡e por byte. comenzando con el byte 1. continuando de i1.quierda I derecha y de arriba I abajo. para a\canz.ar un tOla1 de 8 10 bytes (9 x 90). o de 6480 bits (8 10 x 8). La frecuencia de tnmsmisión de bits es bps -= . bits ... 6480 bits _ 51.84 Mb tiempo 12S l1S ps Lcu trama.s STS- I se di ... iden en dos áreas generales: la i ru/irrcfa d~ lrolupontl (TO H. de trol1spon m~rhtadJ y la tn~l'tnll! dt corsa útil J{ncrona (SPE. de synchronous poyload tl1\'t/ofR). La TOH ocupa las tres primeras columnas de las 90 de la mauit. Las 87 columnas restantes ron la SPE. La colu mna SPE inicial se llama im/irr:cto dtl trayulOria STS. y contiene datos especffiros dd contenido. y no cambia a medida que SPE a...anw por la red. Las 86 columnas restantes en la SPE lIe\'lLIl el contenido. o tnifico de red. La pane TOH de la trama S1'S· 1 es para vigilancia de alannas, vigilancia de errores de bhs y otros indirectos de comunicación de datos. necesarios para asegurar una transmisión confiable de la en ... ol... ente de contenido sfncrono entre nodos. de nlJO de la red slrn;rona. La SPE ,iene por objeto Il1lllspor1ardalOS del usuario a tra ...t:s de la red slncrona. de la fuente al destino. Se ensambla y desensambla sólo una ... ez en su ruta por la red. independientementc dc cuántas vcces umbill lo. Ji$to:mas de: InlnSporIe. Sin embarJo. en la mayQriD de los ea_. 1_ SPE 'C o:n· sambla al cntrar a la red y se desensambla al salir de clla. La carga ¡¡ fU es el tr4fico que produce utilidades. uansportado por la red SONET. Una ... e" enSllmblado. la carga útil se puede: dirigir a su destino a Inl ...h dc la red. La carga ú.il STS·l tie nc la capacidad de 11lInsponar hu dh"crsas elase~ dc s.e~alc$ digi tales cnlisuWas cn la labIa 14-8. las 86 columnas de: la SPE. designad .. para llevar la carga Ilti!. se: arreg lan de acuerdo con nornutS de mapas, que son una función del servicio de datos que se: suscri be a la red (OS 1, OS2, tIC.). El arTegJoespecffico que.se ll5a para determinado servicio se llama fribufllrio "irtwo/ (VT. de "irtunl tribwtary). En SONET se implementan VT de distintos tamaños. Por ejemplo.
635
P,O"ocolos de cOlTlunlcec:i6n de datcI Y configuraciones de red
Mar rl'll protegido P')r
der~hos
dE' ':Il
TABLA 14-t1 C8packiad de carga i.OI en
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"=ucnci.
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de (Mbps)
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2.().I8
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3. m 6.31 2
DS> D53
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44.736
Ci.mIico. de ~00I
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"
• FIGURA 14-12
Me ctipie· ....... SCI>ET SfS.3 por int.orcalaci6ri de ~
VTI.5 es un~ trama formada de 27 bytes formalcados cn lres co lumnM de nuc"c bytcs cada una. COI! un tiempo de trD.ma de 12S ¡.a.5. es decir, una frecuenc ia de 8 kHz, los bytcs proporcionll1l una capacidad de tl1lnspone de 1.728 Mbps. que pueden contene r el mapa de una setla l compatible OS l de 1.S44 Mbps de frecuencia. Se pueden mull iplexar 28 VTl .5 en la SPE STS- I. Multiplexado SONET. En SONET se usa uni u!cnica llamada de multiplexado por inlercalación de: byles. Se puéden multiplexar N circuitos STS-1 cn un solo circuito STS-N. La fig . 14- 12 mUCSIra cómo se multiplexan lres tr.mw en Un:l ~Ia tmma STS-J. Esta mllna STS-3 tie lle 270 co lumnas y nueve rcngloflCS. para teoer Un:l c!lpaocidad total de 2430 bytes. Como la trama STS-3 tambii!n s.c: transmite en 125 ¡.Ls. la ve loc idad de tran smi sió n es el triple de una so la trama STS- I, o sean. 155.2 Mbps. Nótese. en la fig. 14- 12, que el procc::so de intercalación de byte s produce una matriz con reng lo nes y columnas multiplexados. Las primel"lls nueve columnas de la truma S1'S-3 comprenden los roH (indirtttos de transpone ) de las tres s.eñales STS- I. y [as 26 1 columnas restantes se ocupan con las SPE de las tres s.ei\:des STS- I.
REO DIGITAL DE SERVICIOS INTEGRADOS (ISDN) Introducci6n a la
IS~N
La industria de comuniClCionc:s de datos y telefónica cambia en forma COIltinua parn satisfacer las demandas de los siste mas COIItcmponineos de comunicaciOOe5 por tclHono. video y compu -
.3.
capitulo 14
!adora. Hoy son cada vez mb las personas que necesitan comunicarse entn: si. que nu oca antes. Par.a s:uisfacer CS!l§ necesidades se ac:luaJi~n las normas anferiores. y ~ desarrollan e implementan nuevas. casi diariamente. La rrd digi/(ll dc sUl'icios infcsrados (ISDN, de IllfrgrU/cd Srf\'ius Vigiwl Nn ....or/c) es un disei'lo de red que proponen las principales compai'llas telefónicas. en conjunto con el CC ITI. para tnllar de propon: iOllar telc:comunicac:iones mundiales que admitan información de voz. dat o!. video y faeslmi l en la misma n:d. En esc:nda. ISDN es la integración de una amplia gama de scrv idos en una sola red de fundón múltiple. La ISDN es una red que propone interconectar a una cantidad ilimilad a de usuarios indepem.lienles. a truvés de una red común de comunicaciones. Hasta la fecha sólo se ha desarrollado una cantidad limitada de innalac:iooes ISDN: sin embargo, y lambitn en la ac:lua lidad. la industria telefónica está im plemenlllfldo un SiMe nla ISDN u1l. que e n el futuro cercano los suscriptores e ntren D ti US.1ndo las redes ac:tual ~ públicas de tc:ltfoOOll y de dalOS. Lo§ prineipios bAsioos y la evolución dc:IISDN se descri bieron. por pane del CCITI en su recomendación CCllT 1. 120 ( 1984). En esa recomendaciÓII se meocionan los siguientes principios y evolución de la ISDN: Principios de la ISDN l. La función principal del conceplO ISDN es admi ti r una amplia variedad de aplicadonc:'l de voz (telefooicas) y no de voz (datos digitales) en In mism:l red. usando una cantidad limitada de instaladOReS normaliu!(las, 2. Los s islellUlli ISDN admiten una amplia variedad de aplicaciones. que abarc1ln COllC¡¡iones tanto COIImutadas como no conmUlooas (dedieadas). EnTre las coneJtionc:s conmutadas eo>tán las de circuitos y las de paquetes, y sus concatenaciones, 3. Cuando sea pr.ktko. los nuevos servicios introdueidos en una ISDN deben ser compatibles con la! cone¡¡ iones digitales conmutadas de 64 kbps. La oonc¡¡jón digital de 64 kbps es la piedra constlUcti va básica de la ISDN, 4. Una ISDN contendrfi circ uitos inteligentes con el fi n de proporcionar fundones de servicio. mantenimiento y administració n de red. En O(faS palabras, se espera que la [SON proporeionc servicios mú allá de la sola prepar.ICión de: las ll amadas por circuito COII muUldo. S. Se debe USlU' una estructura de: protocolo en capas, pata espccificlU' los procedimientos de ~ a una ISDN,)' paro locali:w-en el modc:lode intucOI"Jelioo de sistema abieno (OSI. de: open sys/(m ;ntt>rronnrclion). Las normas ya desarroll adas para aplicaciones rtlacionadas con OSI se pueden usar en ISDN. PQf ejemplo, la X.2S ni"el 3. pan entrnr Dlos servicios de conmutación de paquetes. E,'oIución de las lSDN l . Las ISDN se basan\n en los conceptos dc:sarrollados paro 1M ISDN te lefónicas, y podr4n evolucionar incorponmdo. en forma progresiva. otras funciones y propiedad~ de red, in· clu)"endo las de cualquier otra red dedicada. como por eje nlplo conmutación de circuitos )' de paquetes pata datos, par.! proporcionar los servicios actualeo> y nuevos. 2. La tnlIlsición de una red actual a una ISDN e¡¡tensa podrfi occcsitat un periodo que durt una o mll~ décadas. Duro",e este periodo se deben desarrollar lo¡; am:glO'i para la interconexión en red de las ISDN y los serviciO'i en otnu redes. 3, En la evolución Ilacia una ISDN, se obtcndrtl WlIC.'\.1ividad digital de terminal con termi nal a truvés de: plantas y equipos que se usan en las redes acruaJes.. como por ejemplo. de: transmi sión digital. muhiplexooo por división de tiempo y/oconnmtaci6n de multipluado por división de eo>paeio. Las recomendaciones rele\lan~es actuales., para esos elementos consti tutivos de: una ISDN. están en la serie correspoodicnte de rc<:OInendac ionc:s de CCITI y CC IR. 4. En las primeras etapas de la evolución de: las ISDN. se necesitará adoptar varios am:o glos temporales de: la n:d del usuario. en algunos paises, para facilitar la pcnttr.lCión temprana de: las posibilidades de servicio digital.
.37
PI otoa)!os de comunicación de datos y COflflguraciones da red
Mat rl'3.[ protegido
r.f
derechos dE> '1ul')r
Red ISDN
Conmutlción de_IIMn
-,
Coomullción dedtCU~
UIUI,io de,. red
ConrnUl8ción
ISDN
..,.
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Conmu~
........
u.....io Oo . . . .
1rut.I.eio<' 11 no eonmuled..
5e(I,olilll;lón usulrlo·,ed
\f s.MIitacjOn """ """'"
da
Sef>alilKiOn "",., io-"'"
Sto'IIlilKiOn de ",ulrIo ......... ' io
. FIGURA 14-13 ArqL'iter;;b.ra para las funciones ISDN
S, Una ISDN en evoludón lambif n podr.!. iocluir. en etapas posleriores. conexiones conmUlAdas a frecuenc ias de bits mayores y menores que 64 kbps.
Arquitectura de la ISDN En la fig. 14- 13 se: muest'" un diaGfllma de bloques que indica la arquitectur,¡ propuesta para las funciones de ISDN. ~ta eslá discl'iada paro admilir una oollCltiÓll rrsico totalmente nue"a paro el usuarlo. un 107.0 di gi tal de 5u5Criptor y divCT5QS servicios de lIunsmisiÓn. Se definir.! una inlt'rfilz fisim ClHlUi/l entre los DTE y los DCE. Una 5013 intmal. se: uS3l'li en tclf fOOQ!;. termi nalcs de cómputo y equipo de video. 1'01" consiguiente. se llCCC5iumi n varios protocolos para pennitir cl control de la información que se: intercambia entre el di sposith'o del usuario y la ISDN. Son los siguientes Canal B: 64 kbps Canal D: 16 o 64 kbps Canal H: 3&4. [536 01920 kbps
I
.3.
Las oonnas ISDN especifican que 11 los usuarios residenciales de la red (es decir. los suscriptores) se les propoKione un /lccCJrllxiJicu, consistente en tTes canales di gitales. dúplex.. mu l· ti plexados por división de tiempo: dos tmbajando a 64 \.:bps (designados canales B de ~arrr o ponlldor) y uno 11 16 \.:bps (canal D. de dlllos ). Las frecuencias de bits B y O se seleccionaron para ser oompatibles con 1O!i sistemas act ual es de ponadora digitnl DS 1-054. El canal O se usa para conducir inrormacioo de seilali1..oción y para intcKllmbiar información de control de red. Un canal B se usa parII " Ol codifi cada digital. y cl otro paro ap licaciones. como trnn.smisión de datos. "Ol digitali1.ada codificada en PCM y videotex. A veces. al servicio 2B + D .se le llama illferjaz de frtf"ue/lcifl básica (BR 1, de hasie role illferj(lct). Los sistemus BRI requieren anchos de banda que puedan cont ener dos cllnalC5 B de 64 \.:bps y un cunal D de 16 \.:bps más bits de (nuna. sincronización y otros indirectos. parII tencr una rrec uencia total de bi ts de 192 \.: bps. Los canales H se usan para proporcionar mayores rrecuencill$ de bil$ para servicios especiales, como ru rápido, video, datos de alta veloc idad y audio de alta calidad. Hny Olro servicio, llamado sen'idQ prinwrio, (.ltxeSQ primario o illfl'rja.:. d .. fruucnda prima ria (PR I. de primary rale illferjace) que proporcionarán canales múltiples de 64 \.:bps. pura U$O de los suscri ptores de alto \"olumclI dc la red . En Estados Unidos. Canadá. Japón y
ca pitula 14
Mat rnl protegido p?f derechos da "lul')r
lden!ifoe.do<
de ca..-I
vi""'"
FIGURA 14-1 7
Co.K¡et de deI_ clón de In
,,,0.
IndIIlifIIdo
II'fQbe• •
--
"'~"
Fuill8W ATM de encabezado de celda
901'
BOT
FIGURA 14-1 B Acceso I BISON
un encabezado de celda se "e en la fig, ]4- ] 7, El illefui!icUl/ur dt ca/m/l'imllll indica la fuente de nodo Ye] destino de] paquete, El canal es vi" ual y no especifico, que pennitc dctemlinar. e] direcdonamiento ffsioo rea] del paquete y los tiempos de enlrada y salida a la red, de acuerdoCOfl la disponibilidad de la red y 10$ derechos de KCCSO, Inmediatamente dc$pués del idcmificador
Mat rnl protegido p?f derechos da ":lul')r
, •"OH
.....,.
¡..... Módulo de
conlTlUlKlOn
admlnll1lflivo
T Conmutación
Módulo de
Módulo de
cemr,1 de
.... nt..,;mien1o
eonmulKlón
COfluol
U .....
""'" Módulo
Módulo'" conmulKIón
dePUon'"
LI..... BI$ON
FIGURA 14-19
~
de IllOdulos funcionales
1. H21:J2.768 Mbps. 2. H22: 43 Mbps a 45 Mbps.
J. H4: ]32 Mbps a 138.24 Mbps. Las vdoddao:ks de datos H2l y 1122 pretende n usarse en transmisiones de video de nlO.. imiemos para vidcoconfcn:ncias. \'idcou:IUono y ,'ideomc:nsap. La \'l'locidad de datos H4 es pru1l transrcrenci:a de dalas a gTllllCl, de 11'110, fa.cs!mi! (' infonnación amplillda de video. La velocidad de datos H2l equivale a Sl2 canales de 64 lbps. Las vc:locidades H22 y H4 deben ser múlti plos de la velocidad básica de transmisión de 64 kbps.
REDES DE AREA LOCAL Se ha demostrado <'"011 esllldios. que la mayoria (8Q%) de las comunicaciones c:nlre terminales de dalas y demás equipos de dalOS se hoce dentro de un ambiente local, rellltiVllIIl(nlC peq~ño. Una rtd de árta local (LAN. de IMol Ofeu 1I ... ,",orl:) proporciona el med io más económico y clien de manejar las necesidades locales de comunicación de dalOS, Una red de Arca local es.
normalmente. un sistema de comunicaciones de dalos de propiedad privada. en el que los usuarios comparten recursos, incluyendo programas de c6mpulO, Las LAN popotcionan comu· nicaciones en dos senlidos, entll' una gron vtnied:td de lermi noJes de colllunicación de dalas. denlro de un Arca grográfita limilada, como por ejemplo, denlro del mismo rec::i nIO. edifitio o complejo de edifidos. La mll)'OI' pane del equipo de enlace de las LAN está sepa!'1ldo por uml5 pocas millas, La lig. 14-20 mucslra romo se pueden conectar varias pe a una LAN para companir re· cursos comune.~. como por ejem plo. un módem. una impresora o un seo 'idor. El servidor puede ser una computadora más poderosa que las demás que comparten la mi. o simplclI'lcnle puede tener más espacio de IIlmattnamiento en disco. El se ..... idor Hsio'e" la información a las demú PC de la red. en forma de IU'Chh'os de programa y de información de datos. Una PC de se ..... idor es an~togaa una compu1.:ldoro ccmrul. pero es mocho mlis pequeña. Las LAN permiten que un reci nto o m! ! , llenos de computadoras, compartan !'CtUISOS comUReS. como impresoras o módems, La Pe prorllediosólo U~ esos dispositi ... os un pequeño por. tentaje tkt tiempo. por lo que no hay necesidad de dedicar impresoras y módem! individuales para cada PC. Parn imprimir un documento o archi vo. una PC sólo manda ta información al servidor, por la red. El servidor organi7.11 y da prioridades a los OOcumenlos y a coolinuación los
Protocolas de comunicación de datos y configuraciones de red
645
Mat rt'll protegido por dcrf'r.hos de> 'll
PC
.-
FIGURA 14-20 ComponenteS de
UO!I
red de area local t/pK:a
manda. uno por uno. a la ímpre.w rn de uso comlÍn. Mi entras laOlO, las PC quedan libres pam
continuarerectuando otras U!Teas útiles. Cuando una PC nttesitll un módem. la red establ«c una COIIUién
e ntre ella y el módem. La red es Inll1sparente B la ool"lexión vinual. que permite que la pe se comunique t OO el módem como si estu vieran conectados dirtC1amcnte entre sr. l...aJ¡ LAN permiten que las pcn
Termi nales de datmo
Impt"eSOl1lS lástr Graneadores Dispositivmo de me mo ria de di sco y de cima. de gran capacidad Máquinas de fDClilmil Computadoras personales Computadoras principales Módems de datos B..~dcdatos Proce~s de palabro Redes telefónicas públicas eonmutadas
646
Capitulo 14
Sisecm¡u de ponudora digÍlal (ponador.ts T) Servidores de COI eeo electrónico
Consideraciones sobre sistemas de red de Area local Las posibilidOOes de una red de área local se determinan priocipalrncnte con tres faclorcs: topolog(a, noNio de 'rtulsmisión y protOClJlo de coflfrol de acCI'SO, Estos tres fK tOfCl juntos determinan el tipo de datos, la velocidad de transmisión, la eliciencia y las aplicaciones Que puroe admitir una red en forma efectiva.
Topologías LAN. La topologí3 o arquitecUlra fiska de una LAN identifica la forma de ineerconeclllt las eSllIciOflC'li (trTTTIinales, impresoras. m6dcms, etc.). Los medios de transmisión que se usan en las LAN iocluye n (XI"S 'r'f'nuuloJ dt ulllmb". cublt coaxial y e/mies dt flbm ÓP/ic:II . En la actualidad. la mayoría de las LAN usa cable cOllldal: sin embargo. en muchas redes nueva.~ se están inSlalando cables de fibn ópliea. Los sistemas de fibn pueden fu ociooar con mayores frecuencias de bitli en trnnsm isión, y liene n mayor capaocidad paro transferir información que los cables coa.\iales. Las topologías más comu nes en las LAN son de (Serella, bus, árbol de buses y ani llo, y se iluslran en la lig. 14-21. Topofogfn de estrtlu,. La propiedad más impon:mte de la eopologla de: estrella es que cada estación se enllWl en forma radial a un nodo umrol a tTllvl!s de una conexión dirrcta de punto a punto. como se "e en la lig. l4-2 Ia. En la conligul1lCión de estrella. una lransmisión de una CMlICión entra al nodo central. de donde se relrunsmite a todos 1015 enlaces de salida. Po!consiguiente. aunque el arreglo fisico del c1m1ito se asemeja a una e5lrella, se configura lógicamente como un bus, es decir, las tr.lOsmisiooes desde cualqu ier.! de las estaciones las reciben lodlIs las demás e5taciones. Lm nodO's c:enlrales pcnniten qu.e el sistema o la estación tengan un lugar cómodo par. localiuf sus fall a5, porque IOdo el trifico entre los nodos externos debe pasar por e! oodocen· tral. A ,·CC'es. al nodo central se le llama con/rol un /ral. acoplador d~ u /rt'l'a o conmutador ctfllml, y sude ser una computador•. La configul1lCión de estrella se adapIJI. mejor a aplicacione:l en hu que la mayoría de las comun icacione' se hace ent re eL nodo eenttal y los uter~. Tambil!n se adaplD bkn:l sistemas en los que hay una gran demanda de comunicKión sólo con unas pocas tenninales remotas. Los sistemas de: tiempo compartido se configuran. en geflC.'r.!1. con topolog!a de estrella. Tambil! n, una configurnción en e5trella e5 ade<:uada para aplicaciones de procesamiento de palabra y adminislrociÓll de basc.!i de datos. Se puroen implementar los acopladores de estrella en forma pasiva o K liva. Cuando se usan acopladores pasivos con un medio metálico de lransmisión, los tramiformadores del aro-piador proporcionan enloc'C electromagnl!tico. que pasa las senalcs que llegan a los enlaces de salida. Si se USlUl cables de fibra óptica como medio de trans.misión. se puede lutcer el acopla· mienlo fu ndiendo hu fibras entre si. En los acopladores activos. los circuitos digitales dd nodo centml funcionan como rqx:tidora. Los datos que llegan sólo se regenemn )' se repiten a todas hu líneas de 5alida. Una desventaja de: la topología en estrella es que la red sólo e5 tan confiable como el 00do cemml. Cuando falla el nodo central. fpjla d siSlema. Sin embargo. si falla uno o m's de los nodO$ u temos. el resto de los usuarios puede continuar usando d fe\ IOde la red. Cuando es crítica la falla de cualquier enlidad sencilla dentro de una red. hwa el grado de interrumpir e! ,;ervic;o de t.-..da la red , a eJ,ll ~ nt idad se la lhuna ,..,rur~·O af/jCt!. Ad. ~l nodo central ~n una configurnciÓfl de eSlrel1a es un recurso eTÍtico. Topoqfa d~ bus. En csc:ncia, la topoloa1a de bus es una confi guración mu llipunto o multilcnnlnal. en la que los nodos individuales se intercooectan con un canal conuln de comuni· eaciones, compartido. como IIC ve en l. fig. 14· 21b. En la lopología de bus. todas las estaciones se ooncctan usando los compooenlC5 adecuados de interwoexión. en forma direcl:l a un medio lineal de lransmisión. que se suele llamar bus. En una ronfiguración de bus, el eootrol de la red no está centralizado en un nodo en panicular. De hecho, la plopiedad más característica de una LAN de bus C$ que el eonU"(lI se distribuye entre todos los nodo!¡ conect.ados con la LAN. Las transmi~iOl1es de d3tOS por una red de bus tienen. en ge ner.!1. la fonna de pequeños paquetes que
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Protocolos de comunicadOn de datofl y configuraciones de red Mar rF11 protegido p-?r
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FIGURA '4-21
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Topc¡Ioglas de lAN: (a) 0= ella: lb) bus: [e) érboI de tll$B'i: (d) anillo o !aro
cont ienen direcciones de usuario y datos. Cuando una eslaCión dc$ea lmnsmi¡ir dall)§ a 0Ira. \'¡gila el bus para detenninar si está siendo usada en ese momento. Si no h.ay 0Ir:15 estaciones romunichdosc: por la red (el! decir. si la I'l:d es,' libre), la cSlaciÓll nlQlli tOl'll puede comen7,11r 11
tr.msmitir sus datos. Cuando una cstoci6n comienl.ll a tl1l/lsmilir, loda~ Ia.~ demú estnciones se \'UC'h'cn receptonLS. Cada m:eptOl11 debe vigilar todas [as lronsmisioncs por la n;:d y dctenn inar cuáles son para dla. Cuando una C'st:K:i6n idelltili ca su dirección en el mensaje de datos que re· cibe, adúa en cooseeuencia 1,1 ignOl11 la tr.msmisiÓfl.
Una ventaja de la topología de bus es que no se req uiere direccionamicmoe5pecial ni conmutación de ci rcuito y. en cooseeucncin. noes necesario guardar y retransmitir mensajes dirigi. dos a otros nodos . Esta ventaja e limina una gran cantidad de indirectos por identificac ión de: me nsajes y ticmpo dc: pl'QCC5amiento. Sin embargo. euando lO!! siSlemas ~ usan mucho. hay una gran probabilidad de que en cualq uie r monlen lOalguna estación quiern transmitir al mis.mo liem· po. Cuando ~ presenmn en forma simull:inea transmisiones de dos o más eslaciones. sucede una oolisiÓfl de dale» y se inlenunlpen las comunicaciones en lodo la n:d. Es obvio que se l10CCelita un esquema de prioridades par;¡ manejar las oolisiones de dalos, A ese esquC'tn:l deo prioridadC's se le llama sen/ida de pontJdnro, oaeso múltiple con defecciM de colisión (CS MNCD). y se descri birá en lIna sección posterior de eslC' capitulo. Como el con trol de ID n:d no esl' cenlrnlil.aOO en la configuración de bus, una falla de un nodo no intcnum pirá el nujo de datos por lodo lu LA N. En eSle ca~o, el recurso crítico no es
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Capitulo 14
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un nodo. sioo el bus mismo. Una falla en cualquier punto del bus abR: la red y. de acuerdo con la ,·en.ali lidad del canal de comunicaciones. puede intenumpi r las comunicaciones en toda la red . La adición de nue\U!i nodos a un bus puede ser. a veces. un problema. porque el tener acceso a! cable: del bus puede ser muy tedioso, en e:~ial si est! dc:nU'O de un muro, piso o tccho. Una fQmUl de: reducir los problemas de instuladón es DgregllT buses ~ndarios al canal primario de comunicadones. Si 5e ramifican a otnIS bases, se fOllflll una ~truc1ura de bus múltiple, llamada bus de drbol. La fig. 14-1 1c muestra una configuración de bus de árbo1. TopologfD dtllnüJo. En una topología de: anillo, las CSlaclones adyacemcs 5e intcrcona:· tan por repetidoras en una configuración de IllZOccmdo. oomo mUCSln la fig. l4-2 Id. Cada nodo funciona como repetidora entre: do5 enlaces adyacentes dentro del anillo. Las repetidoras son dispositivos rehuivamcme 5eneillos, capaces de recibir datos de un enlacc y rrtnlrlsmitirlos a otro enlace. Lo!; mensajes por lo genero!. en forma de paquetes, 5e propagan en modo simple" (en un sentido solameme), de nodo a nodo en tomo del anil lo. hasta recorrer todo el lazo y regresar al nodo de origen. donde se comprueba que los datos del mensaje de retomo sean id~nti· ros a]os que se transmitieron originalmente. Por lo anterior, l. configuración de anillo tiene su ~anismo inherente de deta:ci6n de errores. La o las estaciones de deslino pueden reconocer la recepción de datos, a.ctivando o desactivando los bits adecuados dentro de l segmento de control del paquete del mensaje. Los paquetescootiencn campos de dirección para fuente y des· tino. asf como otros datos para cOlllrol de información y para el usuario en la red. Cada nodo examina los paquetes de datos que le llegan. copia los que le son dirigidos y funciona como re· petidora para todos los paquetes. retrunsmiti~ndolos. bit por bit. a la sig uiente repetidora. Una repctidon. 00 debe alterar el contenido de los p3.qllCtes recibidos. ni debe cambiar la velocidad de transmisión. En la topologfa de lInillo se puede usar prácticamente cualquier medio fisico de transmi· sión. Los pares de alambre ~nzado tienen bajo costo. pero las \'elocidades de transmisión son muy limitadas. Los cables coaxiales pcmlÍten mayor capacidad que los pares de alambre. prác· tieamente al mismo OO!lto. Sin embargo. las múimas velocidades de datos se logran con cables de libra óptica, pero tienen costo de inslIllación bastante mayor. t'ormatos dt transmisión t n LAN. En las redes de á!l:a local se usan dos formatos. o t6:nicas. de lnuumisión múlliple". desde una mu]¡ilUd de estaciones. a tl1l V~ de un solo medio de transmisión: banda base y banda ancha. Fonmuo dt IrtJnSlflisi4t1 , tI bIltldll basto Estos formatos se delinen como formatos de transmisión que usan scnaliz.ación digilal. Ademú. los form atos de banda base USllll el medio de transmisión como di sp05itivo de monocanaL Sólo puede transmitir una estación a la vez. y todas las estaciones deben tr.lnsmitir y recibir lu mismas cllISCli de seriales (esq uema.~ de codi· licación. frecuencias de bits. cte.). Los formatos de transmisión de banda bMc multiplexan hu sella]es pordivisiÓn de tiempo y hu ponen en el mcdiode transmisión. Todas las estaciones pue. den usar los med ios. pero sólo una porun:L Todod espectro de frecuencias (ancho de banda) lo usa (o al menos queda disponible parl!) la cstación qL)C CSIf transmitiendo en d momento. En un formato tic: banda ba5C. lu transmisiones son bidireccionales. Una sella! insertada en cualquier punto del medio de transm isión se propaga en ambm direcciones hasta los extremos. donde se absortx:. La scllalización digital requiere una topología de bus. porque las $CIlales digilllles 00 se pueden propagllT coo facilidad a tnlv~ de los divisores y acopladores necesarios en una 10pologfa de bu~ de 'rboI. Debido a Ia.~ pérdidas en linea de tl1Ulsmisión. la~ LAN de banda base se limitan a una distancia no llUIyor que un pardc millas. FOrmlll oJ dt Irr" u misi6n tn bando Qn"ho. En "MOS fonnalos se usan los medios de cOIICKiÓfl como dispositivo mu lticana\. Cada canal ocupa un a banda distinta de frecuencias. den· tro del ancho de banda tocal asignado; e$ decir. es multiplexado por división de frecuencia. En consecuencia. cada canal puede contener distintos esquemas de modu lación y codificación. y puede trabajar a distintas velocidades de transmisiÓn. Una red de banda ancha pennite transmi· tiro en forma simulUinca. V01~ datos digillll~ y video por el mismo medio de tnllIsmisión. Sin embargo. los sistemns de: banda ancha son unidireccionales y necesitan módem, amplificadares y tnn5CCpl0l'l:s de RE m6s compl icados que para los siMe mu de banda base. Por esta rllZÓI1
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Protocolos de comunicación dI! datos y config uraciones da red
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estación tiene que transmitir un mensaje, pero Ja I[!lea está ocupada, espera a que haya la COlldi ción de inaclivD, para transmitirlo. Si dos estaciones Ifllnsmi\C~n al mismo tiempo. sucede una co/i;rjón. En este caso, la estación que: primero siente la colisión manda una sei'lal especial de atasca miento a las demás estaciones de la red. Todas las estaciones suspenden lu transmisión (rrgrrsan) y espel'1Ul un perfodo aleatorio para inten tar una retransmisión. El tiempo 8le31orio de rc: tanlo es distinto pan! cada estación y. en consecuencia, permite prioriur las cslllCiones de la red. Si se presentan colisione:¡ sucesi... a~. se duplica el periodo de regreso para cada eslacKln. En CS MA/CD. las estaciones deben contentlcr para entrar a la red. No se gamntiZl!.ljuc una estación enlll: a la red. Para detectar la ocurrencia de una colisión. una estación debe poder transmi tir y recibir en forma simultánea. La mayorfa de las LAN confi¡:uradas en topologla de bus usa CSMAlCD. Un ejemplo de una LAN ljuc usu CSMAlCD es la Ethcmt't, que: se deilCri· biri mis ade lante en este capitulo. Otro factor que pudiera causar colisiones en CSMA/CD es el rrtunJo Iftl propagad&!. Es tll tiempo que dura una sel'llll en ir de una fuente a un destino. A causa del rc:tardo de pt'Opligación. es posible que la línea pmzca inactiva cuando. de hecho. otra estación está tr.lIls mitiendo una scl'lal que toda\'la 00 ha llegado a la estación moni torn. Paso de testigo. El ¡Huo de Il'stigo es un método de acceso a una red. que se usa principalmente: en las LAN eonfigupyb s con topologlll de anillo, y que USlUl {"nnatos de banda base o de bando ancha. Cuando se lisa el ac>:e:so por paso ¡/t ttstigo, los nodos 00 compiten para leIler derecho Iltrnnsmitir datos; un paquete especifico de dalOS. llamado fU fiBo se circula por el anillo, de:: estación a estac ión y siempre en la misma direo::ción. El testigo lo genera una estación designada. llamada monitor aefjl'O. Para que se pern¡ita transmi lir a IIna estación. primero debe poseer el testi go. Cada estación. por tumo. OOqlliere el testigo y uamina la trama de datOS para determinar si ]lev!I IIn paljuete dirigido a ella. Si I!I trama contiene IIn p:¡qllete con la dirección de:: la estaci Ón I'OC
ANII' o DE
pASO
DE TESTIGO Se:: acredita a Ol!!f Sodcrblum. el desarrollo de la primcr,¡ arqllitectllr.l de red de anillo 1ft fHlSO JI' rutigo en 1969. Sin embargo. la IBM rue la impulsora para la nonlla1i1.ación y la adopción det anillo de tes¡igo. y un prouxipo dcsarrollado por IUM en Zurich. SUi1.... sirvió como nlO(\elo para la Norm:t 802.5 de IEEE. de Anillo de:: testigo. Esla norma no ioclu)'e una especificación de rapidel de tl'1Ulsmisión (bps) para anillos de testigo, allnquc la I BM ha especificado redes de anillo de testigo que rll ociooan tanto a 4 Mbps conlO a 16 MI¡ps. Ui fig. 14-22a muestro la distribución del an illo de pase para la Irn./ro I'specificud.:l par la ]EEE 802.5. El testigo consiste en tres (}(:/ttns. siendo un octeto ocho bits de d!lIOS. Con freo::oc:n · cia se IIson en forma indistinta las palabrns octttn y h)'rt, porque]D direrencia cntrc: ellas es muy sutil, y c::.~t.:i slIjeta a la opinión. A \'cces se:: coocibe a un byte como IIna palabro de ocho bits qllc:: rc:presenta determinado caJicter. número o runción, mientr.as que un octeto no c.~ más que: ocho bits de: datos, qllC podrianl'l:prc:sc:nUU' , 'Ol digitalizada.. video. imagen 11 otra inforlllación digital,
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de comunicación dI! datos y configuraciones de red
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FIGURA 14-22 Fonl'lato de testigo Y trama de subc8pll MAC HE 802.5 : [a] formato de tnIma dtI testigo: [b] fonnato du tremo de subcepa MAC
o que quizá hasta se pueda descomponer en grupos más pequef\os. Por otra parte. un byte de datos se concibe a \"IXCS como c ualquier IIgrupamiento 5ignificath'0 de biu, indeptnd ientemente de la longitud. La.~ fuociones básicas de los campos dentro de las tn llnas de testigo y de $ubcapa segun la IEEE 802.5 se describen cn forma brc\
Campo d~¡;ntif(ldor inicilll.
E5te cllmpo alena a Ia.~ e~taciollC5 rc<:eptOl1is de un Ilnillo de pasode testigo que se acerca una trama. Las trama.~ de tesligo y de subc:apa MAC comíen · ZllI1 con un delimitador inicial.
Campo de control d~ acc~Jo. Este campo diferencia entre las tr:lmas de testigo y de subcapa MAC (control de acceso a los medios, de mnJi" aC'UJJ mil/rol). Si el bit de tesl igo (T) esul borrado. la trama recibida es un testigo libre , y el campo de control es seg uido de inmediato por un delimitadoffinal. La estación receptora puede obtenc:r e ltestigoDCti\"ando el bit de tcsligo. El canlpo de limitador inic ial. más cl campo de control de acceso con el bit T ocli\"ado. forman los dos primel"05 campos de la Inlma de datos de suocapa MAC lEEEE 802.5 (se "cn en la fig. 14-22b). Y pennile que 111 estadón agregue información de dirección. datos y los campos restantes en la di suibución dc trama de dalOS; a continuación tran smite la trama a la red. El bit monitor (M ) en el campo de control de acceso 10 usu la estación designada como monitor activo de testigo. pam administraJ" condiciollC$ de error. CORlO por ejemplo, cuando oocircula testigo ycuando hay testigo pcrsi5tentemente ocupado. La estoción 100nilOra detC<."la una estadón de testigo perdido mcdiame un tiempo de sulida mayor que el tiempo necesario para que la trama más IrugalccOlla todo el anillo. Si durante este tiempo no iC detecta un testigo. se s upone que se perdió. Pum recuperarlo. la estac ión moni tOl1l purga al anillo de todos los datos residuales y emi te un testigo libre. Para detectar un testi· go ocupado circulwlle. la estación monitora pone en 1 lógico en cua lqu ier testigo ocupado que pa.
1.05 tres bits de prioridad (P) en el campo de control de acceso son para dar priori dlM\c:s a hu Citaciones que esperan en la red. Hay ocho nh'ele, de prioridad. Los treS bilS
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CapibJ\o14 M~
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de reseo 'oción (R) son para reservllt testigos futuros. Una estoción con mayor prioridad que dtestigo ocupado en el momento. puede rQC:rvllt d siguiente testigo libre para su nivd de prioridad. cuando pase el testigo oeupado. Des~s de que la estación tmnsmisorn dellT'lOfl'lento haya tenninado su tmnsmisi6n. emite Lln testigo libre al nivd de la mayor prioridad. Las estadones con Lln menor ni"el de prioridad no pueden cap'urar al testigo y uf lo dejan p;isUT a la estación solicitante. que tengD prioridad iguol o mayor. Campo dr cOfllrol dt lronw. Si la trama recibida contiene un bit T activado en el campo de control de occeso. la tnuna ala de !4ltos de 5ubcapa MAC. Y d siguiente campo a el de control de trama. que indica si 4!sta contiene datos o es una especial de adminislroción de la red. Campos dr diruci6n dr furntr y drstino. Los campos de dirección de fuen te y destino contienen seis octetos cada uno. que identifican a las ~taciones trnnsmi50fll y receptoro. respecti vame nte. Campo dt irifommcMn dt rula (RIF. de muting irifOrrrUllionfit ld). Este campo es opdonal y se usa con dispositivos lIatll11<1os puentes de rota de rucntt. pam enlu.ar van" LAN de anillo de: testigo. El R1F puede tener hasta 18 oetetos de longitud. Campos de co",rol de tnla« lóSico IEEI:.-802.2 (LLC. de logical Un" con rro/). Contienen tres o cuatro octeto~ opcionales pan el campo de punto de acceso al sto 'icio de destino (DSAP, de dtsrina/ioll sUl'ict: flu rss poilll). el campo de puntOde acceso al $Cn'icio de fuente (SSAP. de SO/I rct srn'icr oocrss poim) y el campo de control. Los campos DSAPy SSAP son para identificar las clases de profocolos incru stados en el campo de da· lOS. Los códigos de punto de acceso al5trvicio los asigna el IEEE para identificar los prolocolos paniculares. Por ejemplo. el código EO de SAP identifica un protocolo No\·ell. y uno SAP de 06 identifica un protocolo TCPIlP. Campo de tlnW$. El campo de datO§ contienc datOS de protocolo incrustado de nh'el su~rior. si la trama es de datos. e infonnación de administrac ión de red si la tr
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Anillo con muescas El anillo Con mltucas es una variante del anillo de ¡mSt de testigo. Por t I anillo ton muescas circula una tantidad limitada de muestas de titmpo oontiGuas. Cada muesta es de tanl:li\Q fijo, y contiene posiciones en e lla pan! las dircccione.~ de fuent e y destino. y p.1rJ paquete.~ de datos. Se incluye un bit de O(.·UfHulo·dtWCUfHulo al principio de cada muesca circulante, para indicar s i está disponible. Una muesca puede estar lleno o ' ·(lC((I . dependiendo de la oondición lógica del bit de ocupado: ocupadol
Bus de testigo pase de testi &o se USll a "cces e nlopologra de bus o de árbol. En e;1I.S ronlig uradones. las estaciones e n el bus deben rormar un anillo lógico. Sin embargo. como lo dis tribución ffsica de un bus 00 se apega a un rormato de anillo. se h:I in\'eOl:Wo una clasc de 5C('ucncias orden.uda.~ y lógi cas para ¡msar el testigo de nodo a nodo. El testigo. con su din.-cc ión de desti no, pasa por t.oOO el bus. en cOfl fi gurnc ión de anillo "inuol. Esto c:5. eada estación recibe! y tmnsmitt a estaciones predeterminadas. tomo s i estuvieran antes o de~ pu~s q ue ella en un anillo. También aqur. un paquete de cotllrol , lI anl:ldo testigo. regula el deretho de K~eso. Cuando una eslKión m:ibc: el testi go, se le asigna e l cont rol del medio de tr:msmisiÓR dur,mte una IllllC:sca pn:dcte mlinada de tie mpo. L:!. estac ión puede II1lIIsmitir uno o más paq uetcs. y puede in terrogar a onas estllCiones o rec ibir paquetes. Cuando una estac ión tenni na eOl1 el paquete. o cuando trJnscum: e l tiempo prescrito. la estación pasa el testigo a lo siguiente es tación lógica. Se pemlÍte que haya estaciones sin tesli&o en el bu s: sin embargo. sólo pocdcn n:spoodcr a intc:nugaciooes de otras estaciones. O a peticiones de l"CCQIIoci micnto. El
ETHERNET
~ist"rnu
ya Digital Equipme lll Corporation ( DEC) para tmt ar de hacer que Elhemet fuero una norma de la ind ustri a. En 1981 se desarrolló una ven>i6n de Etllemet ll amada DIX 1.0, o Ethernet l. Este sistema fue sust ituido en 1982 por DlX 2.0 , o Ethcmet ll. que sigue siendo la nomm actual. Paro 1983. el eonson:io había dc..~arrollado e introducido un controlador de un s.olo CI paro Ethernet. Después, Moste!.: Corporation. en conj unto con DEC y Ad,'anccd Micro Devices. anunció un conjuntO de dos C I para este objeto: uoo en el controlador de red de área lógica para Ethernet {LANCE. por logicul
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Capítulo 1 4
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Dirrcdón Jtfue/lle. Esta dirección consiste en seis bytes (48 bits). y c~spomlcn a la din:cción de la estación que manda la trama.
Cam(1Q de ti{lO . En Etllemct no se usa el campo de tipo de 16 bits. Se pone en la trama para que se pueda u~ en eapas ' uperiOl\"S de la jerarqura de protocolos OS I. CampoJe dalOs. El campo de datos contiene la infonnación. y puede tener de46 a 1500 bytes de longi tud. El eam po de datos es transparente. No se usan man ipu laciones con CIrncteres de control de enlace de datOS ni de bit cero. U. transparencia se logra contando en fe\·Crs:l. a partir del car.k:ter FCS (de secuencia de veri ficaciÓll dc tr:mUl). Campo ¡le seCUl'ncia de I"t'rificaóón dt troma. El campo e RC (defronU' cJu~c/¡ stqutnct) contiene 32 bits para dctco:ión de erron:s. y se calcula a partir de los campos de e ncabezado y de datos.
¡..:slructuru está nd a r de lruma IEEE 802.3 Prtdmbulo. El preámbulo consiste en siete bytes. Pllra establecer la sincronización de los relojes. El illtimo byte del pn:&nbulo se usa como di:limitadorde la trama de arranque. CHlimiloolJr dt' II/lnll/In de tlrronqljt'. No es más que una serie de dos unos lógicos agregada aIlinal del preámbulo. c u)'o obje ti \'o es marcar ellinal del preámbulo y el pri l'lC ipio de la trama de datos.
D¡rrccionts dt' dt'stino }' dt' f utnlt. Ethernet 11.
Estas di recciones se delinen de igual manera que en
C(l1n¡>(J dt IOllgitud. El campo de longi tud d.:- 2 bytes e n la truma IEEE 802.3 reemplaza el campo dc tipo en la truma Ethcmel. El campo de longitud indi ca la lo ng itud del campo de datOS de comrol de enlace lógico (llC. de I"Sic'tll finl: c"mrol). que es de longi tud
variable
y conliene illCTUSlados todo5 los prolocol os de capa superior.
Con/rol dtl tnlllCt Idgico (LLC). El campo LLC I.'ontie ne la inrormaci Ón. y puede lenerde 46 a 1500 bytes de longitud . El ca mpo LLC defi nido Cilla IEEE 802.3 es idéntico a l definido para las redes de an illo con testigo. I"t'rifimción d~ ¡rolllll. El campo e RC (de cycfic "d¡¡ntllllla ch«k) se define igual que en Ethernet 11 . CHlimilutlortltl fin tltllrom(.. El delimitudor de fin de trama es un periodo de 9.6)!oS en el que 00 se trnnsmi tcn bits. ElIla codificación MaochCSlcr. cuando no hay transiciones de longitud mayor que el tiempo de I bi t, se indica el final de la truma.
Cam{NJ
dt StClltllciu d~
Operación del sistema Trunsmisió n. El control de enlace de datos par.!. Etncrnet esCS MNC D. La~ estac iones ganan aC(:eso al sistema de transmisión mediante contención. No se les imc/TOga. ni tienen mueliCllS especrficól.~ de tiempo par~ transmitir. Una cstación que dcsea trunsmitir Uctcnnina pri. mero si hlly oIra estac ión que esté us.ando el sistema de trunsmisi6n. El control ador hace lo anterior a U1l\"é;s del trans¡;:eplor. dctcctaooo la presencia de una ponadora cn la linca. El oontrolndor puede ser un componente con conexión pennane111e. o una fuoción de programa. dependiendo de la complejid3d de la estación. La prekncia de una portadora. se rc~ntu por las transil.'ion~':S de sci\al en lu Ifnea que produce el código MlIIlehester. Si se detecta una portadora. la estación n:trasa la transm isión ha~ la que la línea esté inactiva. Después del retardo n:<¡uc rido. la estación manda dlltos d igitales 111 controlador. El controllldor conviene esos datos a código Manchestcr. inserta la CRC. añade el preámbu lo y pone el paquete en Unea. TOl1avla no queda aseguf".lda la trnnsmi sión del paquete completo. Puede ser que una estac ión d iferente haya detectado línea inactiva y comenzado a transmitir su propio paquete. La primera eSI3c ión \'igila la Irnea durante un pe riodo llamado \·.. n/(1/I11 I{~ colisión. o il1ltn'al" dt colisión. Este intervalo es func ión del ret.·m lo de propaga· c ión de un u tremo a otro de la linea. El retardo. incluyendo aquel que producen lps repetidof".tS que haya y medido en d istancia. no puede ser mayor que 2.5 km. Si no ha sucedido una colisión de datos en este imen'alo, se dice que la estllC;ÓIIliene la adquisición de línea. y comi num1i tr.!.nsmit iendo todo el paquete. Si se detcctarn una colisión. ambas estac iones transm isoras abonan de
I 65.
Ca pitulo 14 Maf~rFjl
protegido p-?r derechos de '1U ':Ir
inmediato sus trllllsmisiones. durante un tiempo aleatorio. y a continuadón intentan la retransmisión. EI1I1UI5I;1:ptOf puede detectar una colisión de datos comparando la sellal recibida con la transmitida. Parn hacer la comparación. una estación debe estar tr.msmi tie ndo tooav{a su pa. quete núentras que una señalll1Ulsmitida antes se haya propagado haliUt cl extremo de la linea y haya re¡;resado. ~to indica que un paquete deh!: tener tiellO tam~o mlnimo. Si se detecta una colisión. el conlrQlador debe emprender la acción necesaria. lA intmu de controlador y tnm,· ceptor contiene una linea pata nolincllt presencia de colisión (onda cuadrada de lO MHz). Las tres [{neas restantes de esta inteñaz son las de tnmsmitir daIO~. recibir dat05 y la l:()ITÍenle para el transceptor. Como una colisión se manifiesta como alguna fonna de violación de fase. el con· trolador sólo puede detectarla. En Elhernet. el transccptor C!i el que principalmente detecta las colisiones de: datos. Siempre que es posible. C!itOse complementa ron una instalación detectOfll de colisión en el controlador. Pan ascgur.tr que tOOllS las estaciones estén ente..oou de la coli· sión. se invoca un procedimiento de conseruo {J(Jrofor.,Amiento de colisión. Cuando el COIltrolador delecta una colisión. lr.U1 ~ mite de cuatro 11 seis byles de dat05 aleatorios. A estos byte~ se les 1JUJl\lI .s«uem:io de oloramienlO. Si sucedió una colisión. se deu:nnina el tiempo a~alorio de espera de la estoción. patlI que vuelva a transmitir. mediante un algorilmo bitWrio e.{ponencial de rrgrtso. Se suele establecer la muesca de tiempo de modo que sea un poco más larga que el üempo de viaje reOonOO de la seftal en el canal. El tiempo de l retrudo por C!iper.! se selecciona al azar de este inlervalo. Ejemplo 14-4
.
MuCS(:a de tiempo de transmisión - tiempo de SIl bits liempo mhimo del intervalo ., IntcrvaJo de tiempo de rnmdo
;~=
SI .2 ¡¡.s
• Oa S1.2 IU
Pur cllda colisión siguiente que: encucntnl el mismo paquete. el in((!"\IaJo de liempo se du o plica. hasta llegar 1I un intervalo múimo. El inlcrvalo rnA;¡¡imo se especifica como 2'0 x mues· ca de tie mpo de tra nsmisión. Pasados 15 intenlO! sin hi to par.! trnnsmiti t un paquc:\e. ya no se hacen ¡ntentos y se inrorma c:l error ala estación.!t;ta C!i 11I desventaja principal de Ethemc:t: no puede: garnntiur la en~ga del paquete cuando hay un tnlfi~'O intenso de transmisiones. Recepd6n. La linea se vigila hasta que se detecta la dirección de la estación. El controlador desprende el preámbulo. comprueba el eRe y regresa del código MancheSler al fonnato di gi tal. Si el paquete contiene et ¡()ft:S. se desecha. El final del paquelC se: reconoce por la lIusencia de una portadora en la 1/nea de transmisión. EsQ indica que no se detectaron Ir.U1sicione~ en el periodo de 7S a 12S ns a ¡nrtirdel centro de la tlhima celda de bit. La decodificación se hace por un Ju.o amarrado a ra."<:. Este laro se inicialiu medianle la secucncia conocida del pn:ámbul0. La labIa 14-13 mUC:S1nl una comparación de la norma IEEE 802,3 y las especificaciones frsitas IOBASE-S. IOBASE·2 y IOBASE-T de Ethernet.
INTERFAZ DE DAIOS
O~SIRIBUIOOS
EN ABRA
Las normas LAN de primera genemción. como Ethernet y :millo de testigo. no tie nen el ancho de blinda necesario para manejar la5 alIas velocidades de tran5misión r<:queridll~ en los ~ i5Ie mas de comunicac ión de aha capacidad por multiplexOOo. que conducen sonido. fOlos fija5 y video comprimido digital i:r.ad05. en e,pecial a tra\'!!, de grandes distancias. En eon'iCCuencia. el American Nlllional Standards Institute (ANSI) public6en 1984 un conjunto de nonnas(Xm.5) llamado In/uf a: de ¡falOS diJlribuidru enfibro (FDDI. porfifHr dala /liJlribllled intnfoce). En el conjunto se cspc:cifielln nonnas pan! una topologra de anillo con cables de fibra óplica y velocidades de transmisión haSla de 100 Mbps. que pernlilcn distancias hasta de 2 km en ~ cs· taciones. La FDDI no es una norma IEEE sin embargo. admite 105 protocolos IEEE 802.2. de control de enllK'C lógico. y perntite teoc:r una interoperabilidad lranspa~ntc para 1a.~caJlllSde ter· cern a séptima. con los protocolos que se lIpegan a IEEE.
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Protocolos da comunicación da datos y configuraciones da red
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der~hos
dE' ':Il
TABlA 14-13 Comporecibn de la r..... lile OCJ2.3 de net U 'fWiF-5 , V13 A '5f.2 y 1Cl3,.,.if.T
m . Especificeco-.es fisicZ5 p9MI Et.hur101lASE·2 (~NeI )
Co,"rol de XC\'SO
T_,
~oIo de
nlnl...jt
I'1«urroc;" de Sfft.oliU"iIIn TIpo de K1Wiución TIpodeOOlc:
CS MM:I)
CSMAlCD
8~
B~
T lIHW'!o variable de J*luelCS 10 MIlp!;
T.md:o ,".noble
--
IEEE 802J Couial
"-~ 10 MIlp!; Baneb b;bc RG-S~
~g)OIOObk
blinda,jc Imptdaroc;" de ~ Sq1anoción múima C11trr lIOIJos
Loo¡iu.1d m'd m.o de kgltll:'nlO NodoI múiltlOl por qmcnlO Cantidad mhill\l de M:IItll:'OlOli Sqwación nwill\ll etltrr eI:Ixiones
30n
30 11
". "".
0.5 m 1&5 m
'''''
m.
,
100
.
,
30
Coaxial
10BAS E-T (
CSMM:I) EMlTlla TOmaIlo ,-.nIObio!
.,....
",,-
lO MbpI. ".. l111' ni,'~1 3 o ni~d 4 No I:C ~Iica No Sflpl .... 100 m (Pe a rubo) 1024 (por mi) No .. aplica
No Sf ~Iicl
Además de leoer mayores anchos de b.'lIlda y mayores ,'eloddades de operación. la 1-"001 tiene también mayor confiabilidad y seguridad que Etheme1 y los anillos de lescigo. La mayor eonfiabilidad se puede atribuir al medio de Irnnsmisión. La~ fibrus óptiCa!> son inmunes 1:11110:1 la inlerferencia electromagnética como a la interferencia por radiofra:uencia. La lopoIogfa física de las FDDI se presUl patUlcner un ~iSh:ma nW confiablc, porql.lC est:'i oompuesUl de dos Millos separados: uno primario y uno de respaldo, La lopologfa que se usa con la FDDI es confi guradón de anillo doble (contratTOlatorio doble) como se ve en la fig . 14·26. Uno de los anillos es el anillo primario y el 00'0 es el an illo s«umwrio. Los dalos se propagan en tomo a los dos anillos, en djm:done~ COl1lrarias" Bajo lus condiciorlC$ nomlales de funcionamienlo, SÓlo el anillo prirn:uio c:ooduce dalOS. y el secundario se reservacomo reserva. y sólo se usa si fall:l cl prirn:uio. Como I:n la noffiUI, IEEE 802, la FDDI UIQ p¡t.M: tic: ' '''ligo como n1t10d0 de 101.=,;0. Sin I: mb;u¡u, hay varias diferencias enlre las dos tá::nicas, y se prelcooe que la FDDI aproveche la ventaja de: su ;anillo de a1U1 ,'elocidad patUII\lUimi1.llf la eficieneia. Nodos FDDI Las redes LAN con FDDI pueden lencr hasla sao nodos separados p
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FIGURA 14-28 Formatos de trama de tJ¡miga y de datn&: (al formaU) FDDI de tl!Stiga : (bl estnJCtur8 FIXlI de rrema de datos una red FDDI pana recOllfigur.trsc cerca de dcfec.os dc cable y de circuilO, cstabl ecicndo lo que se llama slIlidll di! anillo. hace que sea más confiable que las n:dc$ E.hemel o de ani llo de testigo. En FDDI se: usa una forma modificada de p;nc: de testigo. como mctodologla de aocccSQ, La metodología FDDI es distinta de la llOITIUI IEEE 802,S en dos IISpectos, En primer lugar. debido a las mayores longitudes posibles en las LAN FDDI. no es práct ico con\'enir los tC5tigos libres en testigos ocupados y penni.ir que una estaciól1 nlOllOpOliee la red hasta rccibir la COl1finnac iól1 de que se recibió bien su mensaje en la eslaciól1 de destino. En lugar de sólo cambiar la condición lógica del bit T en el byte de control de IlCCe.so. en FDDI se elimina fís icamente el testigo dellUlillo. y se: trunsmile unu truma oompJcta de dutos, ~poés de terminar la transmisión se emite un nuevo testigo, Se evitan las colisiones porque sólo un a estación puede ~r. en eualquier momento. el tes.igo libre. La segunda di ferencia en FDDI es que: una sola estación puede." mandar muchos mensajes suce.sivos antes tic: que ceda el testi go. Recufrde:se que: la IEEE 802.5 sólo permite que haya un mensaje por testigo y por usuario. Las tramas transmitidas en forma de: rorrie nte continua se llaman troJlUl$ slncronas. y se: Ie:s dlI priorid:ad de acm:rUocon unu me:t
Red FDDI con lineas de transmisión de par de conductores metálicos trenzados La FDDI se disc:M origi nalmente para UsaniC con una línea de trunsmisión de fibra óptica. y no con hi los de cobre. Los cables de libro óptica pueden admitir mayortll \'clocidades de tronsmisión de dU1 OS, son mucho más inmunes al ruido de inlerfereJ"ICia y no irradian cJ"ICrgla clectromagnftica como sus rontrnpan es metálicas. Sin embargo. los trunsductOfCS que se u~ eOl1 los cables de libro óptica. que eOl1vi~ nel1 la energla luminosa en energla el«.riea (Jos fOlodetectore.s) y viceversa (los diodos emisores de luz) son re lativamente costosos y pueden alladir varios cientos de: dólares al costo de cada nodo de una red FDDI. Paro redu¡;i r el cos.o inieial de: una red FDDI. la ANS I publicó una \'e:rsión de la /lOIlIl:I FDDI que especifican eonduetOfe,\ me.álic05 en par ' rcnzado. y no un cahle de libro óptic;¡. En la nonna se espc:ciliclI una velocidad dc tronsmisión de 100 Mbps. eon el mismo protocolo que en la versión de FDDI paro libro óplica. En vista de que la mayoria de: los ca bles telefónicos no pueden permi.ir una frecuencia de bits de dalos de 100 Mbps. se debe instalar un cable especial. Sfml o /lflIOJ. Sin embargo. au n oon es te ca ble, que es más costoso, las redes metálicas FDDI siguen siendo menos costosas que los si sl ernu-~ de cable óptico. Canal Fibre Aunque: IIIS nonna..' de una red de alto \·elocid.:Id, como la A) Dl. pemüten lener oomunieaciones digitales poco costosas y fidedignas a \'elocidades de datos ha,ta de 100 Mbps, muchos ambitntes comerc iales, educalÍ\'os. induslriales y eientfrieos siguen investigando siste mas que pernlitan ve locidades de dlltos adn mayores. En fecha recien te. anunciaron HelO.'lell-Packarti Co.. IBM
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I
Capitulo 14
Mr> mi protegido p?f
reche- de ut')r
14-6S. Explique el sistema CSMAlCD. 14-66. Expl ique el pase de k'stigQ, 14067. Descliba qUl! es una ISDN. '1 quitn p"lpU~ este COIICeptO.
14 68, ¿Cu4Jes 500 los principios primarios de unI ISDN? 14-69. ¿Cuila fueron 1M c"olucionel de ISDN ?
1....'0. Describa la arquil«lura ptopuesta pmi ISDN. 14-71. Desc,iba un canal O de ISDN. Describa un canal B dc ISDN. 14-71. Desaiba los siguientes !~rminos rapccto a ISDN: equipo
14.Jl2. Identifique y explique Jos modoAThf.
di\'e~
$uocampos que se usan en un campo de encabe1.ado en 1'1
14-83. ldemifique y uplique 105 divasos wbcampos que se usan dentro de un campo de inronna· dón en el ATM. 14-84. (.Cuál es el principal medio de transmisión que se US3 en SONErI 14-85. Describa el foonalO de trama que se usa en SONET. 11 8&. {.~ l6::n iea de mulliplexado se uu en SONET para lograt ma yores nive les de Inn sporte $incrono1
1+81. DeilCriba las topologhu que se usan con frecueocia en las LAN. 14-88. Haga una lisca de los fonrullOS de uunsmisión que iIC U.ll1l en las LAN, y dICscrlbalos. 14·89. Haga una lista de hu mc:todologlu de ron,rol de acceso que se U~IUI en la:s LAN. y dcscrl· boJ". I4-W. Describa Jos dil'et'S05 campos y tramas de subcapa que se usan en una red de lUIillo de palie de testigo. 14-91. Describa 1moperación de una LAN di' anillo C()n muescu. 14-92. (.~ es Ethernet? 1....93. Desc:, iba en forma M~e 105 siguicn1C:S sisll'mu Elhc"KI: IOBASE-S, IOBASE-2 y IOBASE·T. 14-94. hknlifique y upliquc: las di\'l:fUS sec<:ioncs de un formato de Inlffia en Ethemel ll.
PROBLEMAS 14-1. Determine el código hc~ad«ilTllll en el campo de conlrt)1 Oc: una tnm. SDLe. para 1., si· guientes condiciones: tnma de información. inlef1'OjKi6n. Inmsmisión de nama 4 y confi rmación de recepción de traml1$ 2. J Y4. 14-1. Determine el código hocxadccimal en el campo de control de una Inma SDLC para 11.'11 si· guientd coodidones: trama de: sU¡KrvisiÓl1, liSIO para recibir, final. confirnur fC(cpción de 1", tramas 6. 7 YO.
PI (¡4oco!os de ccmunicadOn de datos y configuraciones de red
BBS
Mar rF11 protegido po?r der~hos dE' ':Il
14-3. Insene ceros en lo siguiente comente de datos SOLC .
111 0 0 1 000 0 11 1 11 11 1 100 111 11 0 100 111 10 1 0 11 111 11 1 11 1 001 0 11 144. Elimine t eros de la 5iguiente comenle de dluos SOLC.
0 10 11 1 11 0 100 011 0 11 11 1 011 10 1 11 0 10 1 111 1 0 1 01 1 10 0 0 11 11 1 00 14-5 . Trncc la forma de OIKIa NRZI parnla ción alta.
100
~¡gu¡cnle
111
conienlc de dalos; oomicncc: con una condi·
O O ,
O 1 O
14-6. Delmt1ine el t ódigo hcxlklccimal en el campo de control en una lr:I.ma SDLC parnlas siguicn· les condiciones: tnIma de inf~ión. no es pregunta. tr:lI\SIllilkndo la lrama mlmcm 5 y t ooJinnando la recepci6n de las lramas O. l . 2 Y l . 14-7. Dctcnninecl código hcxad«-imal del campo de ("()nlrol
~
una lr.InUI SOLC parn 1M siguicnu:s
toodk:iooes: Ifllma de supervisión, !lO listo para recibir. no es final. confi nnandom:epción de U1UTW7 .0. 1 '12 .
14-8. Insen e tel"05 en la siguic nle comenle de dolOS SOLC. 01101111111 0 11000 01111 10 0 10 1110 00 1 0 1111111101111100 1 14.9. Elimine t'e1"05 de la siguienle corriente de datos SOLe.
0 0 1 0 111,, 00 11111 0 111110110 00 100 0 11 1110111 0 1 0 1 1000101 14.10. Trace los ni'·eles NRZl p.vala siguieme curricmc de datos; t omience tOO U1\.II condición alta.
11 0 1 0 0 011 0 1
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Capítulo 14
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Transmisión digital
INTRODUCCiÓN Como se dijo en capflulos anteriores, la Iron.lmisi6n dig;/(JI es ellntnsportc de sen.les digitale5 cntre dos o más puntos en un sistema de comunicacione!. Las sellales puc:dc:n ser binarill.5 o cualquier 0lnI forma de pulsos digi tales de valotes discretos. La inrormación de la fuente original puc:dc: estar en forma digital , o podrfl1n ser senales lUlalógicas convertidas en impulsos digitales I1Illesde su tnlJlsmisiÓII. para recon\'crtirl as en seilaJes analógicas en el ~cplor. En los sislemns de: !Jansmisión di gital se mJuiere una instalaciÓll ffsica. romo cable mc:ullioo. cabJecooxial o un enlace de libro óptica, pam inlerconcclllI los diversos puntos del sislema. Los pulsos esuin 00II' tenidos en la instll11lCión y se propagan por ella.
Ventajas de la transmisión digital 1. La \'entaja princip:1l de la trnnsmisiÓII digil4l respeclo a la analógica es Sil inmunidad al ruido. Los impulsos digitales son menos susceptibles a varixionescatlsx/as J'IOI' ruido. que IIIS senales an:t1ógicas. En [a trnnSmi~ión digital no es nectsario eva[ulU" [as caracterfsticas de amplitud. fn:cuencia y (ase con IlU1ta prcr:isión romo en III trnnsmisión anaJógica. En IlI glU" de ello. los pulsos recibidos se evalúlUl dUl1lllte un intervalo preciso de muC$treo. y se hace una determinación simple para ver ~¡ el pulso a;t' arriba o abajo de un nivel de umbral. No es imporumte la amplitud. frrcuencia o fase ellioclll$ de la senlll recibida. 2. Las seftnles digi tales se prestan mejor a su procesamiento y multiplexado que las se· /lales analógicas. El pro«sami,,,,rn úigital ú, la s"l/t,1 ( DSP. de úigiml,ig",,1 pmutling) es el prcK'c
.67 pm
dislIlncia total 11 13 que se pueden lronsponar las senales analógicas e:s14 limilooa por la camidad de amplirw::ad0re5. Por 0U"a pane. los regeneradores digitales mues~an la señal de: entrada con ruido y a conlÍnuadón reprodllCen una senal digital enterarnrnte nuc:va. con la misma relación de senal a ruido qllC la seilal original tranSmitida. En consecuencia. las sc:i\alc:s digil.aies se: puede n Ir.msportar a di stancias mayores que las sc:nales analógiCllS. 4. Es más f:kil rnrdir y evaluar los sc:nales digitales. En l'Onsc:cueTICia. es más fácil comparar la efideocia de sistemas digitales ahemaÜvos ton capacidades di5tintas de: !!-enalil.aciÓD e información que en sislc:mas equiparables analógicos. 5. Los sistemas digitales se: adaplan mib paro evaluar el funcionamiento con e"o."«. Se: puc:dcn detectar y com:gir los errores de tr.utsmisión en !!-ebles digitales. con más fac ilidad y m" exactitud que las que 500 posibLes en los sistemas analógiros.
Desventajas de la transmisión digital l . La lransmisión de sei'iales
:utal6gku.~
codificadas digitalmente requiere un ancho de banda bastante mayor que la simple tll1llsmisión de la sellal analógica original. Es importante el ancho de: banda por ser costoso. y porque con frecuencia Cll muy limitado. l. Las se:naJes analógicas se deben conven ir en códigos digitales ame; de: su transmisión. y recOIwenirse a la forma analógica en el receptor. necesitando. por consiguiente. circuitos adi· cionales de codificación y decodirlCación. 3. La trunsmisión digital requiere una siocronización precisa. respecto al tiempo. entre los relojes del uunsmisor y del receptor. Por consiguiente:. los sistemas di gitales requieren COStOSOS circuitos de recuperación de: reloj en todos los receptores. 4. Los sistemas de uansmisión digilal son incompatibles con las inslalaciones amenores. de:: transmisión analógica.
MODULACiÓN DE PULSO En la modulación dI! puúo se inc lu)"en muchos Jl"N!todos distintos paro. conn:"rtir inromUlción a la forma de pulso. par.. Ir"lU1Sferir k lC de una fueme a un dt$tino. Los cuatro métodos principales 500 ltIQ(/ulllción ¡xl' ancho de pulso (PWM. de pulse ...·id¡h modulmiOtr). modulación ¡xl' prui· ci&. de pulso (PPM. depulse pmlrltm mo,Jul(lriQII). modu/(ldÓl' fIO,ampUrud de pulso (Il>\M. de pulse
l . PWM. Aeste t1X;todo!!-e le llama a veces modulación por duración de: pulso (POM . de pube durariQ/, modularían) o modulación por loogilUd de pulso (PLM. depll/se Ic:nS/h modula/Ion). El ancho del pulso (1a parte activa del ciclo de: lr.lbajo) C5 proporcional a la ampli tud de l.
señal analógica.
2. PPM. Se varia la posición de un pulso de ancho constante. dentro de una mue!;l;!a pre. detenninada de ti empo. de acuerdo con la anlplitud de la sei'lal analógica. 3. PAM. Se varia la ampli tud de un pulso de ancho consran re y posición constante:. de acuerdo con la amplitud de la ilCnalllflal6gka. 4. peM. Se: muestrea la sei'lal analógica y se convierte ~ n un número binario en serie, de longitud fija. para su transmisión. El número binario \"arCa de ocuerdo con la amplitud de la!!-elIal alllllógica. La PAM se: Usll como forma intermc:dia de modulación en PS K. QAM y PCM. aunque casi nunca se: usa por sr misma. Las modulaciones PWM y PPM !!-e usan en sistemas de comuni-
caciones de propósito especial. en Clipeciallos militares. pero casi nunca se usan en los 5i~emas comerciales. La PCM C5.con ntllCOO. el método más frecuente de modulación de pulso y.en con· sc~uencia. será eltellla de las descri¡x:iones en lo que resta del capItulo.
MODULACiÓN POR CÓDIGO DE PULSO La mod,,/ociórr porctkli81l tk pulsll (PCM, depulsr oodt: moJulllfioo) fue deUlTOllada en 1937 por la AT&tT en sus laboratorios de Par1J. Se acredita a Alu H. Rcc:\'u haberl a invenrado. Aunqu~ se
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capitulo 15
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ModL'I\&ciOn de pulso: (a) &81'\81 IInl."lOgiea: (b) p....'Hl15 do 1TlUe$U a; [e) PWM; [di PPM; [e) PAM; [f) PCM
pronto 5US mtril05 al desarrollarla. no fue sino hasta mediados de la dtcada de 1960. al difundirse la electrónica de estado sólido, que La !'CM se hizo domil\al1le. Hoy. en Fqlldos Unidos. el mftodo preferido de comunicaciones dentro de la red telefÓllica pIlblic:a corunutada es la !'CM. La modulación por código de pulso es la úniCQ de IIIS t&-nica$ de modulaciÓII por codifiQCión digital de la fig . 15-1 que se usa para tmnsmisiÓll di gillll. El t~rmino "modificación por código de pulso" e5 algo equívoco, porque en realidad no se trata de una fonna de modulación. sino mú bien una ronna de codificación de fuente. En la PCM. I05 pulsos son de longitud yam· plitud fijas. Es un sistema binario en el que l. presencia o ausencia de un pulso dentro de una mu~a prcdctcnninada de tiempo representa una corKIiciÓII de uno lógico o de cero lógico. Las t&nicas PWM, PPM y PAM son di gitales, pero easi nunca son binarias, porque un pulso no rep¡-escnta a un solo dígito binario (bit). La fig. 15-2 muestra un diagrama. de bloques simplir1l"l!dode un sistema PCM de un solo eana! o s(mplf'x (sólo de un sentido). El filtro pasabanda limita la frecuencia de la scftal analógica de entrnda al intervalo de frecuencias de banda de VOL, de 300 a 3000 H1~ El circuito dl' '1II~StmJ y rtlf'ncWn rnuestru. en fonna peri6diCll, la 5ci\all1lllllógica de entrnda, y conviene esas muestras en una señal PAM de varios niveles. El ro'/l'f'rtidor aMJ6gico o digital (AOC, de ONJwg·to-digital Cf.HI. \""rff'r)convicrte 1115 ml.lCSU'aS PAM en códip PCM pwuJclos. que !le convierten a su ,'cz en dat05 en serie, en el convertidor de para/tw a Strit, y a continuación saJen 11 la Unta de transmisión, Las repetidoras en la línea de transmisión regeneran en forma periódica 105 códigos PCM. En e1locep(Or, el com~rfidor Sf'rit Q para/tlo conviene los datos serie de La ICnca de IfIIIlSmi· sión en códigos PCM paralelos. El co/1\'trfidor digitol o anoMgiro (DAC, de digital·'o-anolog COIII'trftr) convierte el código paralelo PCM en seliale:s PAM de varios nh·eles. El circuito de rtt~nc¡ÓII y elfiltro posoooJas regresan Ill sellal PAM 11 $ U forma analógica original. La figura IS-2 muestra IIlmbifo varios pulsos de reloj y de muestreo que se expliclll11n en sec· ciones posteriores de c:;tc capitulo. Un circuito integr:Kloque cjcaJta las funciones de oodifx:ación y decodificación PCM se llama codu: (codificador/decodificador) y se detalla en el capítulo 16. ~iclCNl
Muestreo PCM La fu nción de un circuito de m uestrt:o en un uansmisor PCM es tomar una mUClltnl. periódica de la i\C1\:¡) analógica de entrada, que vaña en forma continua.)' convenir esas mllClitras en una serie de pulsos que se puedan convenir con mis raei lidad 3 un código PCM binario. Para queel AOC convierta fielmente una sella! en código binario. la sellal debe 5Cf relativamente constante. Si no lo es, Ilntes de que el AOC termine la conversión, la senal cambiarla y el AOC tratarla en forma continua de seguir los cambios analógicos, y nunca se e~llbmurla en algún código PCM. Transmiei6n digita l
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Rilo! di CDnverol6n
Di&gi 9rTI8 da bloques simplificado de un sistema de trlM'l!lll"isión
POv1 slmplex, de un solo cenel
Hay do!! t&:nieas básica!l para lIe\'ar a cabo la funciÓII de mueslreo y reteoción: muestreo natural y mucstrro de: parte plana. El mllt'$/rro l1alUml se ilustra e n la lig. 15·3. Es cuando se muestrean las panes superiores de la forma de onda armlógiea que se muestrea y conservan su fum13 nalO",!. E n la li g. 15·3". el imem.plor :malógio:o <.le FET
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de onda de: entrada. cuando el pulso de: muestreo es alto. Sin embargo, cuando es b3jo. se pennite que la sei\al de emrada pase inalterada por el amplifieooor de salida. y llegue a la en.roda de l convertidor analógico a digil a1. La fOfllla de onda de: una seilal con mUe5treo nalur-ll se \'e en la lig, !S·)b. En el muestreo llaturaJ, el espectro de frecuencias de la salida mueslreada es distinto nI de una muestra ideal. La amplitud de 105 conlponentes de frecuencia, obtenidos con pulsos angostos y de ancho finito es menor para las annÓIlieas altas de acuerdo con la funciÓII (sen x)lx, Esto altera el espectro de frecueilCias de: illformaciÓll, y hace necesario u~at igualadores de frecuen · cia (filtros de compensación) antes de la recuperxióll medillllle Ull filtro de ~ bajo. El t1Xtooo mis común para mue5lTellr señald de ~Ot en sistrma PC M d "",,,,SIno d", pan", plal1ll. que se logra en un circuito d", mUtSlreo)' "-'tildón, El objeto de ese circuito es muestrear en fOfTl1.ll periódica la seilal analógica de entr.tda. que cambia en fonna continua, y con\'enir dJIS mUCStras en ulla scrie de niveles de PAM de amplitud constante , El muestreo de parte plana a ltera el espectro de frecuencias, e introduce un error Ilamooo urordt C/~rI/JrfI. que e ~¡ta que e l circuitode recuperaciÓII. ell el receptor PCM , reproduzca con t:,toclitud la Sdlal ;m:a. lógica original, La magnitud del ermr depende dc eu:mto cambia la sef'ial analógica dUr.lnte la toma de la mueSlr.l. La fig. IS-4a muestra e l esquema de un circuito de muestrcu '1 retención, El FET funciona como un interruptor analógico sencillo, Cuando se enciende, Q. pruporciooa Una tr.Iycctoria de baja impcdaocia para depositar el ,'oltaje de la mues.ro analógica a trové,s de l capacitor C. ' El tiempo durante el cual Q. e.~14 activo o encendido se ll ama ¡;tm¡JQ de alwrlllrfl o tiempo dI/! lJilqllisidÓll, En esenciD, C. es e l circuito de retención, Cuando Q¡ eSI4 apagado. el no ticne trII· IlUI
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Capitulo 1 5
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'" fIGURA 15-3 [a) Circuito de muestreo netl.I"8I: lb) loo "oa5 de onda de entr1lOa y SllIóda ,/e(:toria completa para descargarse y. en cQnSe(:LlCl\(ill. gulltlb el \'Ollllje: muc:s!reado. E l fic"1{lO de (Jlmncc1I(JIfIirmo del capatilor.se llama tiempo de coII\'cr¡i6n de Ilnalógico a digital. o AID, pon:¡uc es durtnlc t'litc tiempo cuando el ADC convierte el vahaje de mucstnl en código PCM.
El tiempo de adquisición deberla ser muy cono. para asegurar que el cambio sea mínimo en la serial analóg ica mientras ilCdc:po~ila en el _Si la enh,lda al ADC cambia micntl'1lll se es'. haden do la convenWn. resulta una distoniÓlI por a~rruro. Asf. allener un tiempo torto de abertura 'J mantener relalivlUncmc constante la cntl"ld;a al AOC. el circuito de muestreo '1 retención puede reducir la distorsión por lIbcr1 ura. El mueslreo de pant plana introduce menor diS1(lBión de abenuI'D que el muestreo natural. y requiere un convenidor analógico a digilal más lento.
Transmisión digital
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siendo C = capacitancia múima (rlUlldios) j .. CQI'l'iente múima de $ilUda de ZI' 10 mA
dv .. cambio m!l;imo de \'oltaje a 1tlI\'fs, de CI. igual a 10 V dI - tiempo de carga. Igual al tiempo de abenurl. lO IJ.S Porwnsiguientc:.
C _ _ (10mA )( IO,u) _ IOnF IOV
U constante de tiempo de Clllp para C. cuando QI l$l.6 actiyado. es T _ RC en donde T - 1111.1 conSlllnte de tiempo de carga (sesundos)
R "" impedancia de salida de ZI ' mis la resiMencia de 0 1 activado (ohmsl e - valor de l. cnpacitancia de C. (fllIlldios) Esta ecuación se rearrtgla y de ella se des~ja C
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e~ - -R El tiempo de carga del capacitor e 1 uunbi~ depelllk de la exactitud que se t\e¡;c,a en d d.i5po;¡¡iliyo. La exactilud porcentual y $11 C'OIlSt.ante RC requeridli se puede resumir como sigue
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- 108.7 nf
Para u tisrtlttr IIIS limitaciones de corriente: de salida de ZI. se requirió una capxitancil mb.ima de 10 nE Para $8.tisfacer 105 requisitos de: e:uctitud se requirieron 108.7 nF. PlIl'a u tisfaeer ambo!; requi sitos se debe usar la capacitancia de valor ~nor. En wnsecuencia. el no puede ~ mayor que 10 nF,
Frecuencia de muestreo El teorema de muestreo de Nyqu ist C5tablecc la frrc utnciu m(ninw dt mueSlrtO (J,) que se: puede usar en detenninado sistcma PCM. Pan que una mucslJll. se reproduzca con exactitud en ti receptor, se debe muestrear cuando ~nos dos veces cada ciclo de la selIaI analógica de entnlda (f.l, En oonsecuencia. la frecuencia mrnima de m~reo es igual al doble de la rrc:cucncla mbima de la entrada de audio. Si!. es menor que/". se producir.\: distonión. A esta distonión se le llama di310rJi611 IJOrolias, o por doblez en lo imogcn. La rrecuencia de mUQ treo mrnima
de: Nyquisl Q (15-1)
en doode
l. - frecuencia m{nima de mllCStrco de NyquiSl (henz) f~ - mh ima rrecuenc ia que se debe mueslrear (hertl)
En eRncia. un cireuito de muestreo y ~tenci6n es un modulador de AM . El interruptor es un dispositi\·o no lincal que lienc dos entradas: el pulso de mueslreo y la senal analógica de en· trad •. En consecuencia. entre esas dos sei'iales hay meulado no lineul o heftt'(}ffjnodo. La rig. 15·5a muestra la representación de l espectro de ulida de un cin:uito de muestreo '/ retención en el dominio de frt:CUencias. En la ulicJa se incluyen las dos enlJll.das originales (de llUdio ,/Ia fre· cuencia fuMlamenlal de l pulso de muestreo). sus frecuencias de suma y de diferencia V. =1.).
lodas las armónicas de!. y l. (2/,. '1/•. JI•. JI•. cte.) y sus productos cruzados cOl'TeSpondientes (2f. "1.. JI, :!: I~. ele.). Como el pulso de muestreo es una forma repetitiva de onda. está rormado por una serie de ondas scnoidales relacion.ada$ armónicamente. Cad. una de estllll ondas senoidcs tiene ampli-
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Tra nsmisión digital
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FIGURA 1505 Espeo:lJu de salida para un circuito de mueweo y retenciOol: [e) 611 distorsiOn por alias; lb) CO'1 distorsiOn por filias
[ud moduJ llda por lit seilal nnalógica, y produce fl'C(:uem,:iru;
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suma y diferencia si~u:¡!;a res-
deJ.. Cada frec uencia de suma 'J diferencia q lle se genero está separada de su re5pecliva frecuencia cenU'lIJ por1... Mientras/, sea al mel105 el doble del.., pecto a cada una de
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IInllónicM
ninguna de las frecuencias hu eraJes de alguna armó nica cntnu:i e n hu banda$ lalC:rales Oc: Oln ann6nica y no sucede el (o la) aJiD.S. La fig. 15-5h muestr.1 e l resuiludo de una fn:cuellC ia analógica de entrada Illa)'or que//2 module al" Las freclleoci» laterales de !lnD armónica se pasan o despliegan hac ia 111 banda lateral de OIrU annónica, La frecuenda que se pasa es un alias o reproducción de la sella l de cntnWll (de ah í el rlOmbre de "distorsión por alias"). Si una frecuen · cia laleral alias de: la primera armóni ca se pasa ni espectro de audio, tH) se puede elim inar por filtrado, ni por I;ualquier OCr.> l&:ni<': lI ,
Ejemplo 15-2 Determinar la fm:ue:ocia mrnima de rnllCSlTCO y la fm:ue:ncia dc al ias produddll. (11 un sistenu PCM con fm:uo:nd. máxima dc entnlda de audio de 4 kHz.. ~i ~ permili«ll que: una orlt.al de audio de 5 kHz entrara al circuito de muc:strro y n:tcnción.
Solución De aruerdo ron el teon:ma de muestreo de Nyqubt {«uadÓll 15· Lj. J,
2/..
y, en ronseclll'ncia, /. 2: 11 tH >: Si (1Itnmlo unl fR:Cucncia de audio de 5 J.:.lb. al circuilO de nllIeSln:o y retención. ~ produeiria el cspectro de: sa lida de la fig. 15·6. Se puede \'cr que 111 ~nal de 5 kll z prod uce una rretucncia alias de 1 Ulz que se Ila introdueKlo en el espectro de audio original. ;;o"
El fil tro pasabanda de la entroda. en lo. fil:. 15-2. se Ilamafi"llro artlit/lias. Su fn:cuenda superior de corte se escoge de tal modo que no pueda entrar ona fm:uencia mayor que b mitad de 111 flttuc:nd a de mucstreQ al cim¡ito de mucslfCO y retención. eliminando asl la posibilidad de que OCUml la d istonión por aliu. En la PCM se mucstrea la senal analógica de entrnda. a continuación se conviene en un código binario en serie. El código binario se tr.lll'>mite al receptOr. donde se recQI1viene a La señal analógica original. Los códigos binarios que se usan para PCM son de n bits. donde n puede ser cualquier entero positi vo mayor que l . En la actualidad se USIUI cM/gos Ilc SigIlO y mtlgnÍlU/f para PCM, en donde el bil /llds significatilY)) es el bit del signo. y los dcm:1s bils se usan par.! la magnillld. Lo. tabla 15· 1 mue51ra un código PCM de " bits. en el que 1I - 3. Se usa el bit mtis s ignificativo para representar e! signo de la m~\nI ( Ilógico = posit"'o. y O lógico so neg:a ti,'o ). Los dos bitli re:u.o.nle5 representan la magnitud. Con dos bits para la magnitud , h:ay c U:lIro códigos
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Capitulo 15 Mat rnl protegido p?f derechos da "lul')r
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,. FIGURA 15-9 PAM: (o) sena! de entrada: lb] impulsos do mUf\ Deo: (e) sena! PAM
Para el sistema de la tabla 15- 1.
3V
D R :: -
t V
= 3
Se acoslUmbrn representar el imervalo di námico {DR, de (/YII(IIIric ronge ) en ded bclios y. en coosec lJCOCla,
V
DR '" 20 10g !M' = 20 loS V~.
¡3 = 9 .S4dB
Un intervalo dinámico igual 11 3 indica que la relación de volwjcs máxilllQ a mfnimo de la sei'ull decodificada es 3. Si se (ir;¡ca una reM)luciÓII menor. corno porejemplo 0 .5 v, que mantenga el intervalo dinámico de 3. se debe reducir el \'ohaje máx imo admi sible en la entr.>da. en el mismo factor. la miUld.
DR = ~ ,", 3 0.5
PQr consiguicmc. Vm . . se ralocc en un factor de 2, Y el interval o dinámico es independi ente de la I\'solución. Si la resoluci ón se redujero en un roctor de :2 (0.2.5 V), parn mantener la mis ma
amp litud m:b:ima de e ntrada. habría que duplicar d intervalo di ná mico DR = -
t~
0.25
= 6
1...:1 cantidad de bits que se usan en un cód igo PCM depende del interv:llo d inámi co. Con un códi go PCM de dos bll5. la mag nit ud mlni01a decodi fic:lble tiene cla~'e binnria 01. La O1:lgnitud má.1.imB el; 11 . La relación del códi gos binarios máximo D O1lnimo el; 3. igual que el lnter-
67.
Capitulo 15
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FIGURA 1 5-10 Codificadó,,; [a) lWleal; lb) no lineal •
NÓIc,o;e que con codificación 1M) lineal hay mis códigos en la pane infcriordc la CllClllllquc
en la parte superior. y a.~i se aumenta la C¡UlClitud paro las señales más peqllCña~. Tllmbi~n nótese que la dislllncia entre códigos sucesivos es mayor para las sellales de mayor amplitud. y Ilumenta el enor por cuanli zación y se reduce [a re lación WQR. Tambi4!n. debido a que la seilal de VMb a V""" aumenta con la codilicac ión no lineal. el inh:l"\'alo dinámico es mayor q ue con un código uniforme. Es evidente que la codirlCación no lineal es un t6nnino medio: se sacrifica la re lación SQR para las sel\ales de gran ampli lud. ¡taro lOGrar mil<¡ cxactitlld para las de baja amplitud, y para lograr un mayor ¡nlervalo dinámico. El¡ dirrcil fabricar convenidon:s ADC no lineales y. en consecuencia. se han inventado IllI!todos alternativos de nlc:m:tlU' los mismos resultados. que
se dcscribir.1n más adelante en este capitulo.
Ruido de canal inactivo Mientr.l.'l rlO hay señal analógica de entrada. la ,lniea enlrada al mucstrellliol" PAM es el ru ido aleatorio ¡&mico. Este ruido se llama de C(JII{I/ inoClilYJ y se convierte en una muestra I'AM de In misma manero que si fuera una sd\o l. En consecuencia. el ADC euanliza hasta el ruido de entrada.. La fig. IS·II mUC51ra una ronna de reducir el ruido de ellnal inactivo. con un m6todo Ihun:wo clIU!lriwd6tl 0011 paso ¡nlcial mayor. En CSle método. se hace más grande la amplitud de l primer intervalo de cuanli1.aci6n que el rc.~to de los il\Cremenlos, En eonsecuencia. el ruido de entradlt puede ser mu y grande. y :;eguir siendo cUllntiudo como código cero. negll~ \'o o positivo. El resultado es que se suprime el ru ido durnnte el proceso de codificación. En los códigos PCM que se han descri to hostil ahorn. los códigos de menor magni tud. po5itl\'o o negatl\'o. tienen el mismo intervalo de vohaje que los demás códigos (+ o - 111 mi too de la rcwlueiÓn). A esto:;e le llama cjjullIi;:J.Idón con paSQ homoglnro. La fig. IS- I I mUC5tra la diferencia enlreelruido de eanal inactÍ\'o trnnsmi tido con un código PCM con paso homogblCo y el tr,lnsmitido con cuant i7.ación 00fI paso inicial mayor. La ventaja de estll última cuantización es menor ruido de canal inactivo. La desve ntaja es una posible mllgni tud mayor de Qe en el intervalo mínimo de euanti1.::ICión. Con un código binario reflejado PCM. el ruido n:sidual que nuctúa un poco arriba o abajo de OV se conviene en un código PCM cero + o - y. en coosecuencia. se elimi na. En los siste· mas quc no usan las dO! asignaciones de O V. el ru ido residual podrla hacer que el codificador PCM alternara en tre el código Oy el mínimo + o -, EntOlll.' d. el decodificador reproducirla el ru ido codificado, Con un código bi nario rtnejado, la mayOf pane del ru ido residual lo elimina el codificador, de mancm inllcrtnte. M étodos de codifi caci6n Hay varios JTM!todos de codificación para cUaJltil.ll.T sej'¡ales PAM en 2~ nh'eles, Esos métodos se clasifican ¡le acuerdo con si la opcr.tci6n ¡le (.'Odificación se hace coo un ni"el cada "el,. un dCgito cada vez O una palabra cado \ 'U.
Codlncad6n de nivel por nlvfl. Este tipo de codificación compara la :;ellal PAM con una formll de onda de rampa. mit'ntnl.s un contador binario avanu a una velocidad unir"" Ihe, Cuando la onda en nUllpll es igualo mayor que la nlllCStm PAM. el contador contiene el código ••2
Capitulo 15
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AGURA 15-13
6 84
5i5tema PCM con compresiOn y expansiOn en&lOglcas Capitulo 1 5
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1.0
FIGURA
1~14
Caracteristjcas de
compresión con ley ""
via1c a un código lineal PCM. En ~ I receptor, el código PCM se COfIvi~ne en señal PAM, se fihfl1 ya cont inuación se expande, regre53000 a sus características de amplitud original en la entrada. pan¡ distribuciones direrente.~ de sellal se requieren diferenlC$ características de compre· sión-expa.nsión. Porej~mplo,las sellales de ~'Ol. requieren desempeoo SQR rel ativamente cons· tante dentro de un intervalo dinámico muy ancho, lo que significo que la distorsión debe ser proporcional a la amplitud de la sellal para cualquier nh'el de sellal de entrada. Para eSlo se re· quiere una relación de compresión log:.ritmica. Un código de asignación vcnbc:kr.uncnte Ioga· rítmico requiere un intervalo dinámico infinilo, y una cantidad infinita de códigos PCM, locual es imposible. Hay dos IllI!todos de comprcsión-expansión analógica de uso actual, que aproximan mUl;oo una función logarítmica. y quc con rrecuencia se les lIarnacódig05log· PCM, o PCM Iogarilmicos. Son CO"'P~!iÓl,·upon!iÓII dt ley ..,., y de ley A. Compresl6n-4!xpalllllón de le)· ...... En Estados Unidos y en Japón se usa compresión. expansión de ley ..... Paru esa ley, la earncterlstica de compresión es
V
+ "Vm In ( 1 + ....)
= V..... X 10( 1 -al
en donde
/ V...... )
(lH)
V"". '" Ilmplitud máxima de la entruda analógica 110 comprimida (volls) VmI - amplitud de la sella! de enunda en detemli nooo momento (volls) 1-'- - par.imctro p3fl1 definir la cant idad de compresión (adimensional) V..I - ampl itud de la ~Iida comprimida (vollS)
La fig. 15·14 muestra [a compresión p3rJ \'arios v¡¡]OItS de ..... NÓIeSC que mientru mayor es ...... la compresión es mayor. Tambifn. nóte.sc que pan! .... - O. la curva es [in(a1 (no hay compresión). El parámetro .... det(nnina el interv¡¡]o de potencia en el cual la relación SQR es rellÚiva· mento.' eonstante. La trllosmisiÓfl de ~'OZ requiere un inlerva.Jo dinámico m(ni lllO de 40 dB. Y un código PCM de siete bits. P:ll"a una n:lo.ción SQR relativlUl1o.'nte constante y un intervalo din'· mo.... de 4OdB.... requo"n: 'lile .... _ 100 o más . Lo!: primeros ,ostCm.a.lO de tran!m1 is¡OO di¡ital de Seu System usaban un código PCM de sicte bilScon .... - 100. Lossistemas más recientes de transo misión digital usan códigos PCM de ocho bits y .... = 155. E")8mplo 15-4 Drterminar. para un comprewr con .... .. 2!iS: (a) La ganancia de voltaje para los ,iguientes valores relath'OS de V_: V.... . O.7SV_ •. O.SV-.. y O.2!i V_ •. (b) El "ohaje comprimido de .salida para
voltaje máximo de entrada de 4 V. (e) Los intervalos dinámicos y la. compresión en la cntlllda y la ulida. WI
685
Transmisión digital Mar rF11 protegido p-?r
der~hos
dE' ':Il
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p.f.pb.nd ••
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¡MflleI.
comprimid. pat.I.I.
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Circuito d.
Conwnldor
m_~
.nelógico
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• diO;\.I1
Conwrtldor
ComPf....,
¡NI.1e1o
d5gil.1
T' .......I_ PCM
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M ,.... Fik.Q
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CIIW~o
d.
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.JlJ1ll convertido:}
bp.llnlOf digit"
diQit.I • .nalógico
CoIII/.rtldo.
1:::: -"
• JM •• !e1o
t
Recepto. PCM
"'M
comptlmk!o par.lela
FIGURA 1 5-15
Sia ' ema PO.1 con comprosiOn y expansión digital
•
.
,
s.v,.,.n,o.7 ",¡..IOn de <:OmI>lHIOn ~: 1
Segmento.1I •• I.dón d. eom prn!óft 32:1
Segmento.5 .eIIoción de compresión 111:1
•
1
•
I J ~
Segmento.2 f.lKlón de compresión 2:1
SeiI"-IO • 1 . In comprnlO
Seg.... nto . O al .. COfTI9t"1On 1:1
.•---
. L---------------------------------~,~
hay 16 segmentos, 8 pllSiti vos y 8 negati vos. a este esquema se le suele llamar comprrsjón dI' 13 ugmt nlos. porque la curva de los sesmcnlos +0. + 1, - OY - 1 f,$ una rectll con pendiente constante. y oon frecuencia se considera COfI1Q un solo segmento. El algoritmo de oompresi6n -cxpansiÓll digillll paro un código comprimido de 12 bits Ii· ne:l.l a 8 bits t'$, en realidad, b.slam c simple. El código comprimido de 8 bits ronsislc en un bit de: signo_ un iden tili cador de segmento de) bits y un código de magnilud de 4 biu que identili · ca el iruen -a/a 11.. cllami~ci6lt Ikntro Ik l sc:g nJeIlIQ especificado ( \-tase ID li g_ 15· 17a).
TransmisiOn digital
6B7
Mar rF11 protegido po?r der~hos dE' ':Il
,
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.... .. ,.. ".u." O. · ,"'"
¡a.~ oigno
1IO
Int...... de c:uanriud6n ... t bI..
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0000.1111
000.111
'" M.o;Iioo de
" ..... m~i6n
""
el. : Jid ificedIo
,, •• • 7
,, •• ,•
, .1 1OA8CO , II1Aaco
. tABCOXXXXXX ~,
FIGURA , 5-17 Comp . ........ pan M ¡..255 de B bita: Ib¡ ........ de unr'-8(ió'1
En la labia de codificadón
.u~5
(es decir. 00Il ¡.r.. - 255) que muestro la lig. I S-11b. se truncan 1M posiciooes de bit designadas COfl X dUr.IIIlC la com¡nsión y, en t'OIlsccuc:oc;lI. se pier-
den. l...O!i bh.
transmite Ial cual es. NÓlese que parn los segmentos O 'J 1. se duplican eluletamente los 12 bits en la salida de l decodi ficudor (lig. 15- 17c). mientras que para el segmento 7 sólo se recuperan los sei5 bits más signific3¡¡VOS. Como hay 11 bits de magnitud, hay 2048 rodillOS posib les. lI ay en el $Cimen to O y J 16 códigos. En el segme nto 2 hay 32 códigos: el segme nto 3 tie ne 64 . Cada segmento $u\:eSh'oquc com ¡cn~..a con el se¡mcnlO3 tiene el doble de códigos que el antCriOf, En cada uno de 105 ocho segmentos sólo se pueden rrcuperar 16 códigos de 12 bits. En consecuencia. en los scSWlCntos O y I no hay comp«!sión (de los 16 códigos posibles. los 16 se pueden rccupcrv). En el5egmento 2 hay una re lxi6n de com~iÓll de 2 al : 32 códi,O!l posibles de tmns misión y 16 códigos posibles rccup!:l1Ido. En el segmento 3 hay una relación de com¡xW6n de 4 a 1: 64 códigos posiblcs de transmisión y 16 códisos posibles rccupcn¡dos. La relación de compresiÓll se duplica en cada segmento SUCCllÍ\·O. En el segmento 7. la relación deeolll presión es 1024116,0 sca 64 a 1. El proceso de compresión se hace como 5iguc: se mucstrt3 la scñ31analógica y se conlIit ne t n un códi¡o de §i¡1IO y ma gnitud tic 12 bits. lincal. El bit de signo pasa tn fomm tl irecta al código de 8 bits. El segmento se dttcnn ina contando la cantidad de ceros de lanteros, o ceros a ID il.quierda, en la pane del códi¡o correspontlien te a ID magnitud. dc 11 bits, quc cumicn1.a con el bit más lig nifkati\·o. Se resta de 7 la cantidatl de ceros a lit izq uierda (que no debe ser mayor de 7). El resuhado es elnumcro de segmento. que se conllierte a un numero binario de 3 bits y se w stitu)'e como identificador de segmento en el códiSO de 8 bits. Los CUlllro bits de mas· nitutl, A, 8 . C y D. JOD el intervalo de cU:llltitación. y se sustituyen en los cuatro bits menos 5ilnirlcatÍ\-OS del código comprimido de 8 bits. En esencia. los segmenlOs 2 a 7 se subdillKkn en subsc.-gmentos m:1s pequci\os. Cada segmento tien<: 16 .wbscgmcnlOS. que COi tuponckn a las 16 contIicioncs posibles de los bits A. D.
sss
I
Capitulo 15
M•
t t
prmegido po. o_rec O de ut
s.g"",,'o
, •
• , , , , , , , , ,
,
Código 'i....1
Códlijo .... p.ond ido
de 12bill
de 12 bi,.
$ubM!l"....n\o
:1
.00111111000
,. : 1
Il00111101000
" "
l' : 1
100111011000
18 : ,
1001"0010000
\tI : 1
100"01"000
Il00111111111
· . . .. .......
100111 1 '0000 100111101111
) )
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"
100"'010000 Il00111001111
IlOO I I I 00000o 10011011111'
.00110110000 100110101111
le : , ) a, · .. . . . . . . . .. ) Il00110001''' · .. . . . . . . . . . ) .oo"OCOOOlO · . . . . .... . . . ) · .. . . . . . . ... ) ,.:, ·10010'01"" .. .. . . . . . . . ) · . . . . . . . . . .. ) · . . . . . . . . ... ) · . .. . . . . . . . . ) 100'0001"" ) ·. .......... ) ·...... .....
.00110101000
IlOO 11 00CtiJ 100110011111
'8 : 1
100110011000
'1 : 1
.00110001000
le : 1
Il001011,,000
100110010000
.00101111111
10011)1110000 .00101101111
.00101'01000
.ooIOI'1lOOD'l
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,
,
•
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111: I
100101011000
18 , ,
100'0'00'000
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1' : ,
.00'0010'000
,
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.00100011000
•
l' : 1
.00100001000
•
Il00'01010000 100101001111 IOOIQ,aooooo 100100111111
Il10100110000
•
" " " " • •
10010010111\
•
lOO'OCI\CMlOOO
•••••••••• ••
100100010000 Il00100001111 .00 1COO(lIl(IOO
1D01A8C().···
FIGURA 1 5-1 e (CootinuociOn]
'"b)
segmentO 5
can durante la coruprcsiÓtl. En e l receptor. el ¡J~odilkador ¡Jebe detenuinllT cuáles eran e$OS bits. Las posibilidades son cualquier cód igodc 00000 a 11111 . El lantco lógico es lCKXlO. qoe es aJ'fO¡¡imooamc:n1e la mitad de la magnitud m.bima. En consecuencia. el error m:himo de compresión es un poro mayor que la mitad de la magnitud de este segme nt o. Ejem plo
1 5-5
DctermilUlr el código lineal de 12 bili. el código comprimido de 8 bits y el código recuperado de 12 bil~ p;u:a tener U/UI resolución de 0.0 I V con ~ol\lljes IlI\:J.lógicos de mues!.r;!. de : (a) o.oj V. (bJ 0.32 v. (e) 10.2) Y.
I
SoluciOn a) Paro tlctcrminnrcl código lineal tlc 12 bits par;!. O.OS Y. ~¡ mplelllt:nle se divide el vo l\lije de mue!'lroenli"C la resolución. y W!oon~ienecl rewlUtdocn un ndmClo binario paru s;gnoy mag_ niutd de 12 bil$.
690
Ca pitu lo
15 Mar rF11 protegido po?r derechos de '1U ':Ir
1
"'-, 2
Código 1i...~1 oH 12 bic.
Código Pl*'dido
"
IOOOCOll1111
· . .. . . . .. . ..
) .00000''''01 ) ) ) ,. ) ,. ) ) ) ,. , , · .. . . . . . .... ) ,. . ,. ) ·........... ) , ) . ) ·.... ....... ) ) ,. , ·..... .... .. ) ~1110"
2 2
. .
lCiOOOD 111 " 1
2.O
..00900111101
2,O
oOOOOQi 11 1O"
"
O
.00000111001
"
O
0001 "'Ji 11 O111
2,O
000000110101
2,O
ll'OOOO 11 00 11
•
O
000000110001
•
O
ll00OOO 1O11 11
2,O
000000101101
2,
l00000101011
2: 1
oOOC1OO101oo1
2: 1
IOCQ)(I IooIll
,
2, O
IOCQ)(IIool01
2
oOOC1OOloooll
O
.00
,
.
tOOCiICJO) 11 O11 1
2 2 2 2 2
•
SubMgm. nto
2,1
.aoowlll110
2
12 bitl
. ,
1l1OOO(II) 101 110
.00000101101
2
• ,
l00000101011
2
IOOO(CI010l0 IiO'XIOOl010C11
2
•
.00000o 100 111
2
•
oO'lOOOloo lOl
2
.-moc:.l00too IIC'DOOOI)IDOOII
2
••••••••• •••
oO'lOOOIDOO10 l0000010000 1
2
2: 1
"''(II)(IOI00Q00
0i000IXI1 ABa).
,.
FIGURA 1 5-18 lCoolt».Jecl6o)(cheglliento 2
Código lineal de 12 biu 0.05 V 0.01 v
Códigu comprimido de 8 bi15
. ,. •,
A
D D
o o o
O O O
e
", O , D
maanill"¡ (lI~rnero
, ,
binario t,Ie
O 000000 O (7 - 7 - 00000) A o O O O O
11 bilJ)
, , •, e ,o O
O
t 1m de: 5igno '+ )
ldeIII i rlCador do unidad (tc.,.-.rmoO)
Tn memi&i6n digital
¡"'m"aJo de: clla,"iUICióro
,»
6.' Mar rF.l1 protegido po?r der~hos dE' ':Il
,
Código recuperndo de 12 bits
•
000010 1 , (7 - O - 1 ccrou la iLquicnll) A B e 1 o o o o o o o o 1 o 1
1)
1 bildeli,oo idcnlifK'adorde intm':alode ",,,,,"nto; delnmi... cuant;,.:i6n l. call1id:ad de m'IlII lo
I
i"'l"~nb
Como iIC puede vt:r, el código ~perndode 12 bits es e.lactamcnle igLlD111 código li!"leal original, de 12 bils. Esto es cieno ¡wa lodos los códigos en 105 segmentos O)' l . En con~nciD. en estos dos segmentos no hay error de oomptnión. b) Paro la mueslrd de 0.32 V. Código lineal de 12 bits
Q.32V - 32 -
, OOOOO1 OOOOO
0.0 1 V
s
magninMl - - -
Código compri mido de 8 bits
o
, OOOOO1 I
(7 -1- 2001 0) A II
,
010
(')
Códigorecu penldodc t2bits
O O O O
e o x
00001
(¡.c1:rn·",o2)
, o ,o ,• o o o o o ,
o o o o
(7 - 2 • S aro> ola ÍI-'jui..u,.)
,
A ,
o o o o
,......, 1
e o x )
1 in!onta
NÓltnse los dos unos insertados en el código decodifICado de 12 biu. El bit menos 5ignificalivo se determina con l. 001. de decodifiCACión. en In n¡. 15- 17. El uno Intercalado en la posición 6 de bit se eliminó durante l. con~crs i6n de 12 bits a 8 bits. La tran smisión de este bit es redundante , porque Ji no un uno. l. mua./nI no estarla en el segmento 2. En consecuencia. en lodos los KgmcnlQ5 a excepción dd O se inscrtll un uno en fonna aUlomálica. dc5pu& de los ceros reinscnados . En csta ml.leStnl hay un error cn el voltaje ro:ihioo. igual a la rcs
rUct1l
e) PW'lI detemlinar los códigos p:1Jll 10.23 V, el proceso es iglUl1. Código lineal de 12 bi es
,
,,,,, ,,,,, 1
O
1
ARCO
Ji.oo
'N......
omitido (7 - 1 _ 6)
, ,, ,,,,
Código oomprimioo dc 8 bies
O
1 ¡i¡no
iCKmenlO
A
,eo
6
,
Código renJperado de 12 bits
O
1 sipJ
, ,,,, ,
1
¡ ,"CO
O O O O
iniorfUOO
inKrta
692
1
Capitulo 15
Mat rnl protegido p?f derechos da ':lul')r
de corto plll1.o. y oon frecuenc ia las fonnas deooda decodificadas. cn función del tiempo. se lL<;C:mejnn en forma ,'aga a la señal origi nal de enuooa. Los codirlCadores de VOl no se pueden uSIlr en aplicaciones dondI- h:lya 0lra5 sdlales además de la "Ol. como porejemplo las señales de sa[ida de módems de datos en banda de ' ·Ol. Los codificaúores de VOl sue len prodocir habla de sonido no fUl/urol y. cn consecuencia, Se' usan en gencro.!1 par:! informaci6n gl1lbada. como por ejemplo HlCIl.;ajCS de ~número equivocado", transmisión en cl3\'c de VOl por circuitos telefÓfl i· cos anal6gicos. seHales de salida de cornpu tOOoru y juegos et!ucati,'os. El objeto de un codificador de VOl es codificar la cantidad mfnim:a dI:" infomwl:"iÓII h:lbl:ada necesaria pant reproduci r un mensaje inteligi ble, con me nos bits que los neccsarios paru un codificador y decodi ficador COIl,'encionaL Se usan pri nci palmente en apliC'.lCioncs de aocho ¡le banda limitado. En esencia, hay tl'C5 técnicas dispooiblcs paro codificar , 'Ol: codifirtulor di! 1'0% d~ cafUll. ti codificador formO/rl~ di! 0'11': Y el c(xlifiC(ldor (U'trl;cl;)'O linelll, Codlncadomli de , '01 de canal, El primcr codificador de "Ol de callal fue dcsarrollado por Homer Dudlcy en 1928, EMe apar-.alocomprim13las formas de onda de la con"ersoción conveocional en una señlll analógica con un aocho aprox imado de banda de 300 Hz. Los codi ficaÓOf'e$ de "oz digill¡[cs ¡IC1uales funcionan a menos de 2 kbps. Los codificadores de VOl digitales de canal usan filtros pasabanda pant separor la forma dc ooda de VOl en sub#xuul(ls mlÍS angos1lU, Cada subbanda se rectifica de onda completa, se filtra )' a continuación se codifica digita l· mente, La señal codificada se transmite al receptor de destino. doode se decodifica, Hablando en generul, la calidad de 13 señal a la salida de UllOde CStos eodificadores de ~'Ol es ba~t aflle mala. Sin embargo, algunos de los mis avan"AI)os tm~jan a 2~ bps Ypueden produdr una convcr· sación muy imeligible. aunque Sllena un poco a "sonido si ntttico", Codlncadomli formantes de , '0:(, Un codificador fonnllme de ~'Ol apr'O"echa que la densidad espectral de corto plazo de las señales de voz casi nunca se distribuye unifomlCrnente por lodo el espectro de banda de voz, de 300 a 3000 Hl. En lugar de ello, el c.spcctm de poIencias de la mayor parte de la energía de ,·oz se concentra en 3 o 4 frecueneias máx irruu, llamadas forman/U. Un codificador fonnante de VOl tan sólo dctennina ellugurde esos n!Mimos y codifica y transmite sólo la infomlOCión con lo~ componentcs a corto plazo nub irnportantcs, !\Ir consiguiente. 105 codificadores forman tes de , '01. pueden trabajar a menores fr\."'Cuenci3s de bits y requieren er\lances It1('nore$ anchos de banda. A \'eces, lo!; codificadores fonnantt'S de \'Ol tienen problemas de seguimiento de cambios en las fo"nantes. Sin embargo. una ,'ez identificadas las fOtl1lllJ1tes. uno de estoscodificadores de voz puede n transferir habla inteligible a menos de 1000 bp
Codificadores prl'dlc1h'os lineales. Un codific3dor predicti,'o li neal extr.IC las parles mil_ importantCII de la infomJaCión de "Ol~ cn formo directa de lo forma de OlIda en función del tiempo, más que del espectro de frecuencias, como sucede con los codifICadores de ~'oz de canal y foona!ltes, Un codificador predicti vo lineal produt"e un modelo v~riablc: en el tiempo. de la t:.( ci/(/c itÑI del ¡roeto 'TXal y la función de trtlllsfen::ncia. directamente de la foona de onda de la \'Ol~ En el CXtremo r(Celllor hay un Simeli::Jl(lQr que rc-produc:e el habla (lIISóIndo la CJlcitaciÓfl eSJl'I-'Cificada a travfs de un mode lo matemático dcllr.JCto ,'ocal, Los codificadores prcdkti\'os lil\('ales permiten obtener un habla de sonido más naturJ.1 que 10;0; codificadores de "Ol de canal o fonnantc,\, Los codificadores prediClivos lineales 5lI('lcn codificar y trnnsmitir la VOl emrc 1 ,2 Y 2.4 I:bp§,
Velocidad de PCM de le linea La ,'elocidad de [a Ifnea cs tan sólo la frecuencia con que los bits PCM :\Crie salen sincroniu¡dos del trnnsl1\isor a la linea de transmisión. o la frecuenc ia 0011 la que los hits PCM se sacan ~i/ICronizados de la lfnea de Ir.msmisión y pa.'iIlfl al receptor. La velocidad de la línea e.~ directamente proporcional a la frecuencia de mucstreo y a la can tidad de bi t~ en el código I"CM comprimido, La ecuación de definición e.~
muestta!i bil~ X (lS- II) segundo muestrJ. en donde la ,'elocidad de la Ifnea es la velocidad de trans misión de bits (b¡'HI). Por ejem plo. un sistema PCM de monocanal, COIl una frecuencia de nmcstreof, 8000 mocstr.JSJsegundo, y un código !"CM comprimido de ocho bits necc:sital'ia lo siguiente \'clocid;¡d de la Hnca =
684
Capitulo 15
Mar
'11 prOiegido p-?r derechos de '1U ':Ir
P'CfroII
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I
I I
1 1 O O O I I O O O O 1 1 O O 1 1 I 1 O O O
ve<1lóofdi9ll• • ""'Ogieo (DACI
ruL
PCM deIt.
FIGURA 15-21
.lin.-
,."',,'~ d....bid.
""
F I ~,O
pauto.j ••
Reloj
y Iwoj.ld.
ReceptOr
con modulación delta
Enl,MII .n.ológ;e.
P.ndien" lI"ndorO='~_ __
cemblo,6p1do -
•
m URA 15-22 Disto"siOo por sobrecaI'g8 de pendieot.e
salida dd DAC e~ mayorquc: la mucslr.!. analógica: a comi nUllCiÓfl el oomooorcomc:nzará a contar hacia abajo. ha.sta que la salida del DAC sea menor que la aJllplilUd de 11. muestnl.. En el caso ideali7.aOO de la fig. I ~ ·20, la sul ida DAC sigue u la sel1ul de emrada. Cada \'el que la cuenta de subida y bajada se incremenla, se trnnsmite un l lógico, y cada ve; que se deen:menla, se .""t.~ mile un O lógico.
Rece ptor con modulación delta La lig. I ~-2 1 muestra el diagrama de bloques de un receptor con modu lación delea. Se puede ver que cs casi idl':ntico al InIrulmisor. COllla excepción del comparador. Al rocibir 105 unos y ceros lógicos, el con\JIdor se irocrementa o decrementa en ronna l'Qrrcspondieme. En cOflsccueocia. la sulido del DAC de l decodificadores idtntica a la del DA C en ellnlflli misor. En la modulociÓII delt.a. cada muestra sólo n:<:Juiere la lransmisión de un bit y. por consiguiente, las frecueocillSde bits aoociadascon esta modulación son menores que las de los sistemas PCto'l con\·eneionalcs. Sin embargo. la modulación de lta tiene tIos probkmllS que no se pre5('ntan con [a !'CM con\'cocional: sobn:carga de pendiente: y ruido granulll/".
Sobl"\'Clll'ga de pendIente. La fig. 1~-22 muestra loque liucede cuando una sel1al deentrdda analógica e:ambia con llna rapidez mayor qlle la qLII~ puw.:- sostener el DAC. l...a pendien te de la sellal analógica es mayor que la que puede mantrner el modul!ldor dcltll. a lo cU1l1 se llama sobrrrcarglJ d~ ~ndi~nlt. Si se: aumenta la frecuencia del reloj se reduce la pronabilidDd
696
I
Capitulo 1 5
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FIGURA 15-23 Ruido gnsnu\IIr
-
S./laI.n.I6gH:ci ,.... 'eco
Fluido g •• nul .. m¡n;mludo
que haya sobreclllJa de pendiente. Otra rOflllIl de evilarla es aumentar el tamal'!odcl incremento mlnimo. La fiS_ I S-23 muestra la direrencia entre las sei'lales original)' reconstruida, asociada con un sistema de modulación de lta. Se aprecia que cuando la sdlal analógica
Ruido granular.
original de ent~ tiene una amplitud relativamente constante, la sellal reconstruida ¡iene variadones que no habla en la sc:i'Ial origin3.l. A esto se le llama ruido gronu/ar. En la modulación del14. el ruido gnll'lI,dar es análogo al ruido de euanlizaci6n en la PCM convencional. El ruido grunular se: puede reducir disminuyendo el tamaIIo de csca.Ión. AsI. pata reducirlo. se necesita una resolución pequeila. y pan reducir la posibilidad de que se presente una sobrecarga de pendiente, se: necesita una resolución grande. Es obvio que se: necesita un compromiso entre: las dos resoluciones. El ruido granular domina más en seftale5 analógicas que tienen pendientes graduales. y cuyas amplitudes sólo varian en una pequella cantidad. La sobrecarga de pendiente es m4s frecuente en sellales llIIalógkas que tienen grandes pelKliente:s. o cuyas amplitude!! varían coo rapidez.
PCM DE MODULACION DELTA ADAPTATIVA La modulaci&! dl!//a adap/a/im es un sistema de modulación delta en el que eltamallo de escalón del DAC se varia en forma automática. dependiendo de las caracterfsticas de amplitud de la ¡¡eftal analógica de entrada. La fig. 15·24 muesUll cÓmo funciona un modulador deha adaptati _ vo. Cuando la salida del tnmsmisor es una cadena de unos o ceros consecutivos. indica que la pendiente de la salida DAC es menor qLle la de la sellal analógica. !iCa en dlll.'CCi6n positiYll o negativll. En esencia, el DAC ha perdido el lLlgar euclo de las rnLlCSItllS nnalÓgicas. y la posibi· Iidad de que haya soblUar¡a de pendiente es alla. En un modulador de lta adaptati\'o, después de una c8/itidad predeterminada de unos o ceros consecutivos, aumen ta en forma I Lllomdtica el tamaño del inct"C'menlO. Desptl~ de la siguiente mLlCSUll, si la amplitud de la salida del DAC
sigue siendo menor que la de la muestr.l.. se: aumenta el siguiente escalón todavfa más, hasta que al final el DAC alcance a la sdal analógica, Cuando se p~nta una sua:si6n de unos y ceros alternativos. quiere decir que es alta la posibilidad de tener ru ido granular. En oons:cuencia, el DA C se: regresa en forma aut0m4tica a su tamallo mfnimo de escalón y asf reduce: l. magnitud el ruido de et IOi.
6.7
Transmisión digital Mal rF11 protegido po?r
der~hos
dE' ':Il
Un algoritmo frecuente pan! un modullldor por delta ad:J.ptll!h·o es cuando.se presentan tres unos o ceros conse<:ulh'os, y se aumenUl o disminuye el tamailo del escalón pan d DAC, cn un factor de 1.5. ~ pueden usar \'arios algorilmO~, que: dependen de los requisitos particu]a· res de] sistema.
MODULACiÓN POR CÓDIGO DE IMPULSOS DIFERENCIAL En unll. forma de onda de VOl codificada por PCM. con rrecuellCill ha)' muestras sucesivas en IIlS que hay poca diferencia entre sus Dmpliwdes. En este caso se necesi ta transmitir varios códigos PCM idén ticos. ]0 cual es redundBme. La modu laciÓn por código de im pulsos diferencial (DPCM. de differtnljal pl/lse eMe madI/la/ion) se disei'ló en forma espedfica para aprovechar las redulldallcias elltfe muestra y muestra ell' las formas de onda característi cas de la voz. En la DPCM, 111. diferencia en ampllwdes de dos muestras sucesivas es la que se Inns· mile. y no la muestra real. Como el intervalo de difere ncias entre muestros suele ser menor que el de las muestras individualn. se requieren menos bits para la DPCM que cn la PCM con'·eneiona!. La fig. ] 5·25 muestra un diagrama simp lificado de bloques de un transmisor DPCM. La senal analÓgica de entJ'llda se limita en su banda a I ~ mi tad de la frecuenc ia de muestreo, des· pués se compara con la sei\a] acumulada anterior. en e] di rerenciador. La salida de éste es la diferencia entre las dos sellales. Esta diferencia se codifi ca por PCM y se transmite. El conver' tidor AID func iona igual que en un sislema PCM convellCional, pero suele usar menos bits por mucstra. La lig. 15·26 represcnUl un diagrama simplificado de bloques de un receptor DPCM. Ca· da muestra recibida se reconvierte a forma an aMgica. se guarda y a continuación se suma a la siguiC'ntC' mues!!'.1 recibida. En ti recC'ptor de esta figura. la integradÓn se hoce sobre 1M sella· les analógicas. aunque también se podría efectuar en fOTTlUl digital.
TRANSMISiÓN CE PULSOS Todo!IIoI .isu,n\llS de pon...tona J igi lal impliclUl 111 Inlm",i sión de pul sOt; I1II1IvtS de un n]CJio,
ancho de banda finita. Un sistema muy se lecti ~'o necesi taría una gl1lll cantidad de secciones filtl1llltes, ]0 cual es impráctico. En consecuencia. en los sistemil.$ digitales pricticos se usan en generol fil tros coo anchos de banda aproximado de 30% o más. en e.lCCSO dclllncno de banda de N)'quist. La fig. 15·27a muestra la forma de onda de salida clrlIocterística de un canal de romunicacionC$ de bandlJ ¡¡mi/oda, cuando se aplica un pulso angosto a su entr:Jd.:¡. ~ ve que al limitar la banda de un pulso. la energía de éste se reparte en un tiempo bMtantc mayor, en for· ma de Mbit/OS secundlllios. Estos lóbulos secundarios ~ llaman oscilaciÓn t n los extrentOs. El COfI
..~t analógica de dit."nct..
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,,"" FIGURA 15-25 Transmisor DPCM
698
capitulo 15
Mal rl'11 protegido P')r derechos de '1U ':Ir
espectro de frecueocias de salida que COfltlponde a un pulso rectangular se representa con una respuesta (sen x)lx. 'J se calcula como sigue r.
_
J(w) -
donde
ti)
sen(wTI2)
wTI2
(U-12)
= 2'11'f(radilUlCS)
T - ancho dd pulso (segundos)
La Jig. 15·27b mueslra la distribución del espectro total de pokocias. En forrn:\ aproximada. el9O'l> de la potencia de la seftaI eliti contenida dentro el primer ccro t.fIH'Crrul. es decir./ - 1". Por consiguiente. se puede confinar la !iCll:Il a un ancho de banda 8 .. lIT. 'J seguir pasando la mayorpane de la energfll de la forma de onda original. En tcoria. sólosc necesita conservar la;unplitud en la mitad de cada intervalo de pulso. Por 10 tanto. si el ancho de banda se confina en B lnr, la frecuencia mb ima de scfllllización :ucllIllllble en un filtro de paSO bajo. con un ancho especificado de banda, sin causar demasiada distonión, se detennina con la frecuencia de Ny. quiS!o 'J es igual a dos \'cces el ancho de banda, La eculIdón de la frecuencia de Nyquisl es ( 15- 13)
sielldo
R - frecuencia de sellilJización a lIT B - ancho de banda espedlicudo
Interferencia entre sl'mbclos En la fii. 15-28 se ve la sella! de entnlda a un filtro pasabajas ideal. de ancho de banda mrnimo. Esta senal es una 5e(uenda aleatoria. binario. sin regreso a cero (NRZ). Lo fig. 15-28b muestra la .wida de un filtro pasiI~ que no introduce distorsión iIlguna de fase o de amplitud. Nótese que la sdal de salida llega a su \'alor total. para cada pulso transmitido, exoctamente en el centro de cada intc ...... alo de muest~. Sin emb.lrgo. si es imperfecto el filtro de paso bajo (es el caso real ), la respue5ta de salida se asemejani mlb a la que se \'e en la fig. l5-28c. En los momentos del muest~, es decir. al centro de los pulsos, la sei'lal no siempre llega a 51,1 valor mbimo. Lu oscilllCiones en Jos extremos de: varios pulsos se han Irwlal'cwo. interliriendo ron el lóbulo prindpul di! pul.w. Suponiendo que 110 hily reuuOOs en el sistellll1. apwecc energCa en fOl'mllde re5puc.laS espurias dcltercero y cuano pulsos debidas a un pulso. durante el momento de mue!it~ (T - O) de otro pulso. A eslll interf~ncia se le suele llamar inli!tfurmda i!n/f"t! s(mbolor o ISI (de inltrs)"mbol inlt tft rt!net). Es un aspecto imponanle en la transmisión de pulsos porcircuiloscon ancho limitado de banda y respuestll de fase 110 lineal. Dichoen forma 5imple, los pulsos rectangul~ no pennaneccrán ItttIlIlgul~ cuando elrmeho de banda sea menor que infinito. Mientras mellOr sea el ancho de banda, 105 pulsos serán mJs redondeados. Si es ellcesh'a la di5torsión de fase, el pulso se ¡nelinoro y, en consecuencia. afectarlt al siguiente pulso. Cuando se multiplexan pubos de más de una fuente. las amplitudes. frecuencias y fases de las respuestas se vuelven todovfa mb criticas. Lo ISI cau.q diafon((J entre canales que ocupan muescas de tiempo udyacentes en un ~1IlI1 de portadIn multiplexado por división de tiempo. Unos filtros especialirndos, 1I1l1lUldos igualadorrs, se: intercalan en la ruta de: transmisión para "igualor" la distooión para todas las frecuencias, creando un medio uniforme de trnnsmisión y reduciendo los detenoro5 de tsta. Los cuatro causas principales de la interferencia entre símbolos son: l . Imprrci!lión tn sin/onfo. En los sistemas de: transmisión digital, las ine;1.actitudes de sincronización en el trunsmisor causan interferencia enlTe sfmbolos, si In frecuel"lCia de la tronsmi· sión no se apega a la[mutnda dt llallUlda o frecuencia de sei'l alización disei'lada para el canal de comunicaciooes. En general, las ineuctitudes de si r..... Oi,i1.ación de Cl;te tipo son insignifICantes.
Como la infonnación del reloj del receptor se loma de laJI sei'lales recibidas. que están contaminadas con ruido, es rnjs ",obable que en los reccpl0re5 haya sincronización inexacta en el muestreo. que en los uansmisores. 2, Ancho de banda iMufleienlt. Los errores de siocronizaciÓll se pTCSCntan con menos probabilidade!l cuando la velocidad de trnn smi ~ión es bastante menor que el ancho de bandn del callal {es decir, el ancho de banda de N)'quist es ba,., tantc menor que el ancho de banda del
700
Capitulo 15
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FIGURA 15.f!B RetIpuestas al impulso: [a) set\al de entl &da NRZ: lb} "'''da c;Ie I,W\ filtro ptI fecto ; [el SB rda de un !Cm imperfecto
canal). Cuando se redlloC'e el ancoode banda de un c:mal de comunicocioncs. \:1 frecuencia de llamada se reduce y es mAs probable que haya interferencia entre sfmbol05. J. Distorsión dt amplitud. Los filtros se instalan en un canal de comunicaciones para Ii· mitar 111 banda de las senrucs y reducir o eliminar el ruido y la intcrferencia esperados. Tambifn se usan los filtros para producir un pulso específico de rcspucstlL Sin embargo. la respuesta de rrttucncia de un canaJno siempre se puede pronosticar en fonna absoluta. Cuando hu taracteristicas de frecuencia de: un canal de comunicaciones se alejan de los vaJoo:s norrnaIes. o espero~ se produce la disronidn di' puuo. Esta distorsión se presenta cuando se reducen los rnhill'lOS de los 1'0.11_. cuu~ando frecucnci",< ;l'ICUIl"eCtllll de llamada " n el oominio dclticmpo. A la compenSllCión de esos iktcrioros se le llama igualación de ampl itud. 4. Dislorsidtl dt!fast!. Un pulso es una sup.... posiciÓll de una :¡ene de ondas 5t!noidales reIncionada5l1fT1lÓnicameme. con relacionCli específicas de fase y amplitud . Por COIlsigu iente. 5i se alienan las relllCiOf"lC5 de fase entre lu ondas Knoidales individu al«. $e causa la di~lorJión de fase. Esla di~tors;oo se pteSC11ta cuando los COIllpooentesde frecuencia sufren distintas cantid"'lcs de retardo al propagarse por el medio de transmisión . En la tnlyC'Clona de tnu\Smisión se inslalan igualadores especiales de de~ para compc:nW" los retardos variables '1 reducir la distorJión de fase: . Los igualadores de fase se pueden ajustar en forma manual. o se disenan para ajustarst' a sI mismos. en forma automátk:a. a dj ve~ ClIfIIClerbtic&$ de la transmisión.
TransmisKin digital
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"11
1'"
Patrones de ojo La eficiencia de un sistem.a
transmisión digital dc[X'ndc, en parte, de I:a capacidad qu.e tcng:a una repetidora pura regenerar los pulsos originales. De igual modo. la calid:ad del proceso de regenenu:iÓII depende del eireuilo de deci~ ione5 demro de la repctidorn. y de lo eolidad de lo se· IIal que entra a ese cireuito. Por lo anterior, se puede medir la eficieoci:a de un sistema de transo misión digital mostrando la sellal recibida en un osciloscopio. y ajustando la base de tiempo a la vclocidad de los datos. Ad. todas las combin3oCiones de fonnas de onda se IiObreporx:n en intc/Valos de sellali1..aci6n adyacentes. A t'.~ta prt..."ICnUlCi6n se le llama p(l/ron de (IjO,jigUfll de ojo o ditJgrama de ojo. Un patrón de ojo e:'l una t~ic:a cómoda para determinar los efectos de las degradaciones introducidas en los pulJ;OS. cUllndo ~' iDj:an :al regcnerndor. El ap:al1lto de prueba para mostrar un patrón de ojo se \'e en la lig. 15-29. La comente de impulsos n:cibida se aH· ment:a a la entrada \'I:rtieal del O$Ciloscopio. y el reloj de dmbolos se conecta con la entrada de disparoextemo. mientras que la frttuc:ncia de barrido se ajust:a. aproxim:adamcme. a la frecuen · cia de sfmbolos. La lig. 15·)0 muestra un patrón de ojo generado por una forma de onda simétrica. para sellales Itl7UlriaJ. en las que los pulsos individuales a la entroda de l regenerador tienen una forma de coseno cuadrndo. En un sistema de m niveles habrá m - I ojos scparndos. Las 1fneu horizontales. idcntilictldas con + l. O Y - [. corresponden a IIIll anlp lilUdes n:cibidas ideales. Las lineas verticales, separndas por T. el intervalo de sellaliUlci6n, cOlRsponden a los lielllJ1(J!i de (le,
Enllada 'Y Entr&d. H
Coojunto de modiCIOn P9I'9 di&o"9r'na de ojo
FIGURA 15-2 9
.ben".,
FtGURA 15-30 Oia¡rama óe ojo
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Capitulo 15
Mar rF11 protegido p-?r derechos de '1U ':Ir
1
[ [L-.J lb]
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T . 2T
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L_•• I
¡...-
FIGURA 1 5-3 1 Senales digitales bf. narimI: [a] T/T o: 0 .5 ; lb) T/T. 0 .5
Si los pulsos rectangulares de ampli md Voy relación T/T comienzan en I '" O. entonces ( 15- 17)
As!' de acuerOO con la ecullCión 15-16,
_ IJT 2 1 , P= -
T.
(V) dr '" -
To
11
V "/ IQ
(15- 18)
1
= - V' T,
p _ (;)~l
y
Ya que el ... aJor nns oefeclh'o de una onda periódica Iie calcula con P " (Vm,.)~IR , c:l ,'ohaje nns de un pul so ra:lwlgulllf es
v '"
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Fv yr
( 15-19)
Como P = (V"""ll I R.entom:csP - (VT I TVl l R = (TV 1)/(TR). Para la onda cuadmda de la Iig _ 15-3 1. 71T " 0.5 y. por consiguiente. P .. >rflR, Asr. ti voltaje nns para la onda cuadrada es igual que par.! las oodas senoidales. V,n" ""
V,,/i..
PREGUNTAS 15- 1. Describa las "cnlajas y desvenlajas de la transnlisión digi!al. 15-2. ¿Cu41e$ son 105 cuatro tm:lodo$ rnh CC)fIIunes de modulllción de pulsos'! 15-3. ¿Cutl rru!1000 de la pregunta IInterior es la 4nico rOl'TlUl de modulación de pulso que ioe U511 en un sistema dc !nUlsmisión digital ? fuplique por q~. 15..... ¿Cuál es el objeto del circuito de muestreo 'J retención? 15·5, Defina obt'rnml)' ,itmpo dI' ddqllisie/ón. 15·6. ¿CuAl es la direrencia tnue muesueo natullll y de parte plana? 15-7. Defina qut es pbrlidD. ¿Out la 15-8.
pmv~lII?
¿Out es la fm:uc:ncia de muntrro de Nyqui5t1
15-9. Defina y describa lu causas de la distorsión por alill5. 15-10. Explique la diferencia enue un código 5610 de magnitud y UIl(I de $igno y magnitud. 15- 11. Explique
qu~
es di 510rSión por sobrecarga.
15· 1.2. Explique q ut es el cu:mlil.aOO 1,) la cuantiudón. 15.1J. ¿Qut es ¡nten'alo de cu;mtizac:ión1 ¿Out' es erTQf por CU:mti7Xión? 15-14. Defina el illltn'fl/U din4m;co.
704
capitulo 15 Mat rnl protegido p?f derechos da "lul')r
15· 15. EAplique la relación enln: el intervalo dinámico. la resolución y la tantidad de: biU en un tÓo digo PCM. 15·16. Explique q~ es didencia de codiflalCión. 15· 17. ¿Q\lé es SQR1 ¿CuAl es l. «:lación ent«: SQR. resolución. intervalo din!mico y tantidad de: bits en un código PCM? 15· 18. Describa la diferenc:ia entre códigm PCM lineales y 110 lineales. 15·19. Explique: el ruido de canal illKlivo. 15-20. ~ba la diferencia entre cuantizac:ión ron paso inicial mayor y cuantiución con paso ha-
mogéneo. 15·21. 15-n. 15-23. 15.24. 15-25. 15-2.6. 15-27. 15-18.
Defina qué es compnJi&Hxponsión. ¿Q\lé de:lCrmina el partmctro ...1 Explique: en fonna breve el pioceso de OOInpraión Y a:pansión digital. ¿Cuál es el efeclo de la compresión digital sobm la SQR. la resolución. e] intervR]o de cuan· tiución y el ruido de roantizaciÓII? Describa la difercneia entn: PCM de modulación della y PCM normal . Defina quo! es sobrecu'lO de ¡NMienle y ruido gnmuIDr. ¿Culil es la diren:neiaentre la modulación deltl Mlapwivl y la modulación deltl CQl\vencional? De5Clib,¡¡ 1m difeTencim entre PCM diferencial y PCM con'·encional.
PROBLEMAS 15-1. DelCnnine la frecuencim de m~treo de Nyquiu pmI una frecuencia de entr,tda :malógita má· xima de: (a) 4 kHz. (b) 10 kHl..
15-2.. PanI el circuito de muestreo y retención de l. fig. 15-4•• determine el capacitor de vllor 1M. x;mo que se puede usu. Use los s¡gu~ntes pmmelros: impedancia de salida de ZI .. 20 n . y Il:$istencia de Ql eocendido de 20 n. tiempo de adquisicMSn 10 IU. corriente mú.iml de sao 1id~ de ZI .. 20 mA. y Cllaclitud de I 'ilt. 15-J. Calcule la fm;uenl;ia mb:ima de ennda IIlIlIlógica par.!. una fra;ucncia de mllQln:Ode 20 kH:t. 15:4. Calcule la frecuencia alias para una fn:cuc1'lCÍD de mue!i.lrro de 14 kHz y una frecueocla de en· trada anmlógica de g kH 7.. 1S.5. Calcule el intervalo din.fmico par1I un código PCM de 5igno y magnitud. de 10 bil5. 15-6. Calcule la cantidad mfnima de biu necesarios rn un código PCM. para un intervalo lIinámi· co de 80 dO. ¿Cu1I es la efICiencia de codifICación? 15-7. Para tener una ~Iución de 0.04 V. calcule los "ollajes pmi los siguientes códigos PCM li· nealcl. de signo y IlUIgl1i¡ud, de 7 bits: (a )OIIO[O] (b) 00000 I1 (e) 100000 I (d) OIIII II (e) 10 00000 15-8. Detennine la SQR para una sei'lal de 21'"",. Yun intcrvalu de cuanlización de 0.2 V. . 1s.:9. Detennine la ~Iución y e! u .... de cuantizac:ión par1I un código PCM lineal. de signo y IlUIg' nilud. de 11 bit¡¡. pan un vuluje mú.imo dc<.:otIirlC1ldo
Tranamieí6n digital
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15-21. Calcule la SQR para lu siguientes magnitudes de liellal de c:nI!1Ida y ruido de cuantizaci6n:
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15-21. Cakule La n:solución y el ru ido de CUa/1ti1.ació!l para un código PCM lineal. de signo y mago nitud y de 8 bits. para los siguientes voltajes mbimos deoodifio.:ado$: v_ .. 3.06 V,.. 3.57 VP' 4.08 Vp y 4.59 V" 15-13. Un código PCM lillC'al, de sigIlO y magniuid. con 12 bil$, $e comprime digitalmente a 8 bits. Pata tener una resoluciÓ!l de 0.016 biu, calcule las siguientes ~antidadc:s, con los \'ollljes de entrnda indicados: código lineal PCM de 12 biu, código comprimido de 8 bil$, código de(:odificado de 12 bits, "ohaje dttodificado y error porcentual. V_ .. - 6.592 V, + 12.992 V Y
-3.36 v. 15-24. Calcule el intervalo de \'oltajes a los que se colwenirfan los sigLlicnles códigos PC M lineales de 12 bits: C6di¡o UMa! de 12 bits
lkwl udórl {V)
."
100011 110010
00000""""
0.10 0.14 0.12
00011 11 11000 1111l1l1(XXXI
15.25. Pan los si¡uicnteS códigos PCM lineales de 12 bits, detennine el código comprimido de 8 bits al que se coovcnirian: Cddi",lincalele 12 bil~
100011110010
OOOOOIOOOlXXl 0001 11111000 II 11 11110010 OOOIXXlI (l(l(XXI 15-26. Dclermine el código expandido de 12 bits al que se oonvenirfan los sisuienld códisos comprimidos Ik 8 bits: C6di", ele Bbilli 11001010 00010010 10101010 0 1010101 11110000 11011011
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Tt"8nsmisKIn digital
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protegida po dOrechOl> de u
Multiplexado
INTRODUCCIÓN Mulliplexado es la transmisión de información (en cualquier forma) de nub de una fUCnle a mAs de un destino a 1m\'6 del mismo medio (instalación ) de I1'I1IIsmisiÓII. Aunque 1115 transmisil)llCS sucedan en la misma insUllación, no nec.:esmiamenu: sl.K%den al mismo tiempo. El medio de I1'I1IIsmi· si6n pouWe Kr un par de I1l1lmb~ mc'IáliCO!<. U" cuble cooxiu l. un telHono lTlÓVill'CS, un sistema de microondas ¡erre51re$ de radio. uno de microondas s:ut lilales O un cable: de fibra óptica.
Hay varios domi nios en los que puede hmcerse el multiplexado, im:luyendo espacio. fase. tiempo. fm:ucnda y longitud de onda. El mullip/uoJo fIOrdi\i.rión de espocio (SOM. de s(1au:dil'ision mu/riplains) es una forma bastante: sencilla de mu ltiplexar. que sólo consiste en propagar sci\ales de diSlinUlS fue ntes por distintO!! cables. que CliUÚI contenidos en la misma cepa. Se COnsidero que: la cepa es el medio de transmisión. La mani pulación QPSK es una forma de ",u/tiplo:/ldo por di~i.ri6n dt/aJe: (PDM, de phase·d;lú;on mult;pla/ng) en la que dos canale~ de
dMsidn de/;e1llpD (TOM, de lime·dil'isifm mlllliplaing). por di.'isi6n delrecutlndu ( FUM. de Irrquency·dil'ision mullipluing) '/ el desarmllado en f«: ha mlis reciente, por dil-islm, de longl . lUiI de OIWa (WDM , de ....uI·elenglh-divisiOlI mullipla ing). El /l:SIO de esle capit ul o se dedicanl al multi plexado por d ivisión de tiempo. frecuendll ,/ Iongitud de onda.
MULTlPlEXAOO POR DMSION DE TIEMPO
70S
En el TOM. las transmisiones de varias fuenles se hacen por la mi sma inSlalaciÓll. pero no al mismo tiempo. las tnmsmisiones procedenles de distin1llS fuentes se ;lIlefmlfln en el dominio del tiempo. La clase más común de modu lación que se usa en TDM es la !'CM (modulación por código de pulliO). En un sistema PCM-TDM, se muestrean dos o mis canales de bandll de VO¿, se COf\vim en II códigos PCM '/ a conti nuación se multiplcxllll por división de tiempo a u11xb de un liOlo par e n cable met4lioo. o en un cable de fibra óptica..
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AGURA 16-1
F ' ema ele tran5tT1isiOn PO.1 ele un solo caneI (OS nivel O]
La piedra constructiva fundamental de cualquier sistema TDM comienza con un canal OS-O (sdlal digiTal-ni velO). La fig. 16-1 m~tra el diagmna simplifK"ado de bloques de un sistema PCM monocanal 05-0. Como allf ~ ve, los canales OS-O usan una frec;ue:ncia de muc:~reo de 8 kHz y un código PCM de ocho bils, que produce una $cial PCM de 64 kbps en su salida
8000 mueslruS X 8 bits
segundo
muestra
= 64 kb
Ps
La fig . 16-2a muc:.stra el diagrama. simplific.oo de bloques para un sistema multiplexado de potIadora PCM-TDM font\3do por dos canales 05-0. Se: muestrea en fonna alTernada cada c:anaI de en!rllda. con una frc:cuc:ncia de 8 kHz. y se conviene a código PCM. Mientras se transmite c:1 código PCM para el clllUll l. se muestrea c:1 canal 2 y se convierte: a cógigo PCM. Mientn.s se Tnlnsmite el código PCM de l canal 2, se toma la siguiente muestra de l canal 1 y se oonvierte a código PCM. Este procc:$O continua y se toman mueStrll$ en fQ!"ma allemOOa de cada clUlal, se
convienen a código PCM y se transmiten. El mulTiplexor no es más que un interruptor digi tal controlado electrónicamenlc con dos entradas y una salida. Se: seleccionan en form. altcrnada c:1 canal I y c:1 canal 2. y se conectan con la salida del multiplexor. El tiempo que: tnrda en transmitir una mueslfa de CIlda canal se llama li~mpo de lrUmlI. Este tiempo es igual a la nriproca de la frecuencia de muestreo (11/., o II8(XX) - 125 ~). La fig . 16-2b muc:.stra la asignación de tra· mas TDM para un sisu:ma PCM de dos elllUllC1. con una frecuencia de muestno de 8 kHz.. El código I'CM pan. cada canal ocupa una muesca lija de tiempo (i!poca) dentro de l. Tra· Ola TDM tOlal. Con un sistema de dos canales, se toma un. muestra de cada canal durante cada trama. y el tiempo !!.Signado para tnln$mitir los bilS PCM de!;tlda canal C1 igual a la mitad del tiempo total de trama. Asl. se deben tf11llsmitir ocho bits de cada canal durante cada trama (un tolal de 16 bits por trama). Por lo tanto, la vdocilbd de: linea a la salida del multiplexor es 2 canales x 8000 u-amas x 8 bits _ 128 kbps l!lImll sclluntJo c.md Aunqtle cada canal produce)' transmite sólo 64 !r:bps. los bits deben salir sincronizados . Ia If· nea a una frecuencia de 128 kHz para permitir la transmisión de ocho bilS por canal en cada muesca dc tiempo de 125 ¡lS.
SIS I EMA DE PORTADORA DIGITAl T1
Un siStema de portadora digital es de comu nicacioncs, que usa pulsos digitales y no sen.lelii analógicas. para codifICar la información. La lig. 16-3a m\leStnl el diagrama. de bloques del si¡u:ma
709
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FIGURA 1 B-4 AlineaciOn de bancos de canales 01A
tNllTI&
Ymuestr8 en sistema 00 portadora T1 , usando
Después se agrega un bi t adicional, ,,1 bil de ,ramo !l la sc/'illl tr,msmitida de cada II'lUIUl. El bit de trama se presenta una \·Cl.: por Ullflla (\'clocidad de 8000 bps) Yse recupel1l. en los circuitos del receplor. donde se usa pan mantener la $incron iuciÓn de .ram a y muestra cmll: el
Ir.1nsmisor y el receptorTDM. En consecuencia. cada trama contiene 193 bits. y la velocidad de lfnea paro un sistema de ponOOora digilal TI es
193 bits X 8000trarnas = 1.544 Mbps trama segundo imponame nOlarque C:lda canal se muestrea oon la misma frecuencia. pc:ro!lO rlCCe.
pan~
dc.-I
li~mpo
total de la trama.
Bancos de canales tipo O Los primeros siSl~mas de portador.. T I t~nfan bancos de canales OlA. que usan un código PCM de 7 bits. sólo de magnitud. con compresión y expansión analógica y IL - 100. Una ,'ersión pos. terior del banco de eanal DI (la DIO) usaba un código PCM de ocho biu, ron ~igno y magnitud. En los bancos de canales DIO se agrega un OC\a'·O bit. el de sigIlO (s) a cada paI:ilira en código PCM para stfl(lli:.cu;ión (supervisiÓll: colgado. descolgado. marcación. etcétera). En ron5eCu~ncia. la frecutncia de seilalización para los bancos de canales D I D es 8 kbps. Tambi f n. en esos bancos. la secuencia de bit de trama simplemente es una serie de 110 ahenmdos. La fig. 16-4 muestra el alilleamiento de trarn:I y muestm paI'a el ~istcma de porbdOl1l T I ron bancos de canales DI O. En forma genfricn. el sistema de portildora TI ha evol ucionado pasando por los bancos de canales 02. 0 3. 04. 05 Y 06. Los 04. D5 Y D6 U$II.n un código I'CM comprimido de (J(:ho bits. de signo y magnitud. con IL .. 255. En el banco de canales DI . las carocteristicas tic com presión y expansión se implementaban ~n c irc uhos. ilpWl~ del codificador y del decodificador. En los bancos D2. D3. D4 Y05 se incorpornn irIS funciones de comp~sión y expansión en foro ma directa. ~n los codi ficllllores y decodificadores. Aunque los bancos de canales 02 y D3 se pare«n funcionalmente, Jos bancos 0 3 fueron los primeros ~n tener ci rcuitos integrados LSI (en gl"".lf1 escala) codoc (codificlldor·dccod ificlldor) parn cada canal de banda de \'Ol.. En los bancos de can ale~ DI , 02 Y03, el equipo cornlln hacc las rundones dc codificación '1 decodificación. En consecuencia, un solo desperfecto de l C(juipo prov(J(:a una rall a total del sistc:ma. Los bancos de c:anales D lA us.an un c:ódigo sólo de magnitudes 'l. e n consecuencia. un errorc:n el bit mM sign ificatÍ\'O (MS B) de una muestra de canal produce siempre un c:rror dccodificado igual a la mitad de todo el inte .... alo de c:uantización. V....... Como los bancos de ciloa] D I O, D2. 03. D4 Y D5 usan código con signo '1 magnitud. un ('fT()r ('n el MSB. que es el bit de signo. cau~ un error decQdificado igual al doble de la magnitud de la muestra (de +Va - V o
712
capitulo 16
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1" AGURA 16-5 Samlencie de bita de entremedo pare ellormato de &upIlI"tl"e1T'lfl T1 . usando bancos de CBneIes 02 ti 03: [al bita do sincrorIizacjOf do trolT'lfl (tromaa imparesl: lb] bita do &atIo1iz1lÑ'ln de on,oci6n de tromB [1nImOS pares]: [el oliooociOo do ti ",nas combinados
viceversa). El error en el peor de 10$ casos es igual a dos veces el intervalo 101111 de cuanlización. Sin embargo. la.s muestras con amp litud mbi ma se presentan mm vez, y la mayoria de los errores en la codificación D IO, 0 2, 0 3. D4 YOS es menor que la mitad de l intervalo de codi· ficación. En promedio, la eficiencia contra e1TOl'es en un código de signo y magnilud es mejor que en un código sólo de magnit ud.
Formato de 6upertrama La rapidez de dal ización de 8 kbps que se U$llCO los bancos de canales D I es dema.siada para 111
transmisión de V02. Por c.oosiguicnte. en lO!! bancosde canales 0 2 y 0 3 sólo se sustituye un bit de se1la1i7.ación en el bit menos signifICativo (LSB) de cada SCJlta trama. As!, cinco de cada seis tra· mas tienen resolución de 8 bits. mientras que una de cada. seis tramas (la trama de señalizatión) 5610 tiene 7 bits de resolución. En oons«ucncia. la rapidez de sei\alizadÓfl en cada canal es 1.333 kbps (8000 bpsJ6). Y la cantidad efectiya de bits por muestra es en realidad 7·516 bits. y 110 ocho. Va que IlÓlo cacb !lc:is lnlJnl15 incluyen un bit de seilllizac:i6n. o:lI nccc"";o numc".,. todas las tramas. para que el receptor sepa cuándo CJttraer la información de scil.alización. Tambi~n. como la scil.alización se hace con una palabra binaria de dos bits. es necesario idenlificlf el bit más significativo y el nlCl\O$ significativo (MSB y LSB) de la palabro de scilalizacioo. ~ lo anterior, se inventó el fonnalo de suptnmll1il. que se ve en la fig. 16-5. En cada supertrama hay 12 ItaJTla!con mlmeroeoosecutivo. del 1 al 12. Los bits de ~ización se sustituyen en las traml1.'l Ó y 12. el MSS en la tnlI1UI 6 Yel LS B en la trama 12. Las uamas l a 5 5C llaman tnlyeclO A. y la trama 6 se designa tnlm. de señalización de canal A. Las lramas 7 a 12 se llaman tntyecto S, y la trama 12 se designa como la de sedalización de canal B. As!. además de identifICar a las uamas de sei\lIlización. se deben identificar en forma positiva las tramas 5C;lta y dá:ima segunda. Multiplexado
713
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FIGURA , s.a Alineación de trama lD I I TDM Y 91ineaciOo de caool co:nUn de 6efI811.u1ciOrl: [e] tromB 00 11 10M 1125 idI. 256 bits. 2 .048 MbpsJ: lb] conal común da 6efI81iz1K:Ül
porque combinan la.~ fUOCKmcs de oodcc Y de filtro <,n el mismo paquete LSI. Ellillru de "nlm· da y salida hace las siguiemes runciooes: lim itación de banda. rechazo de ruido. anli alias y re· construcción de las onda§ analógiell.'l de audiodesptJt§ de decodifiCa!". El cOOcc hace las sigu ienles funciollCS: mucstn:() analógico. codificac iÓll y decodificac iÓll (¡;:OIl \'ersiones de analógico a digilal y de d igital a analÓgico) y comprc.o; ión y ex p'III.'1 iÓn digital.
CHIPS COMBINAOO5 Un chip combinado puede hacer las con\'ersiones IUllllógico a digi tal y di gital a ana lógico. y el fihntdo de tran.'l mi siÓR y recepciÓn necesario [XIra interconectar un ci rcuito te lefónico de VOl dúple~ (de 4 alambres) al trayecto PCM de un sistema de portadorn TOM. En esencia. un chip combinado reemplaza a 111 amenor combinación de chips codee y de filtro. La tabla 16-2 muestro. algUt105 dc los chips combinados disponi blcs.j unloC(m sus funciones prioci[XIles.
Funciona miento ge neral Un chip combinooo hace las siguientes fuociones pnocipales:
1. 2. 3. 4.
718
Filtnldo pasabanda de las sei\ales analógicas antes de. codiflClU" Ydespob de decodificar. Codificación y decodificación de sci\ales de ' ·Ol.: Y progreso de lla mada. Codificación y decodificación de inronnación de sei'l ali1.aciÓn y supervi.'lión. Compresión y expansión digi talc:s.
Capitu lo 16
Mal rF11 protegido po?r derechos de '1U ':Ir
rABI A 16-2 Ptop"edaodes de varios chips cornbinadoa 1)xIec/Ft.'\) o 2916(16 tmninalcs) Sólo romprulÓll y
u pansión ron ley ~ ~Ioj
mac-sJru oóIo de
1.048 M1I,.
2917 (16 termin.tI6) Sólo compresión y
upan>i6n con ley A
Itt;IoJ ~ 0610 de 2.1»8 MHt
Ve kx:idad Ilj.lde dalO!l Vekx:ilbJ Ilj.lde ¡W.,. Ve~ "";abIc: de d"OJ Velocidad "lIfÍabLc de datOS
641r.1Ip 3 2.Q.l8 Mt.p.
M lilpl. ••1.1)96 MiIpI.
Int""..... dWnDro de InlCrn>1o dilL4m;';o de 78dB 78 dB Compatible conAIT DlI~ Cumpatibleron A1T DlI~ En~ unitllnal Entrada unilllmll SIoIid.I unillltnl Salida uu;11Itn.l Sólo IjUSlt de 81t11ncil Sólo aju§lc de IUIlncil de de tnMmiOOrt tranJmi.JÓII Relo;c:l.d1lClUllUll Relojes !JroenlOOJ
Compresión y upan-
Compmión yupan· )iOn f;OtI 1e)'Ct ji. YA $iÓIl con .. ~ " y A R<-Ioj ...-.lm de Reloj nuonIru de U36. I..544 o U36, 1.544 O 2.048 Mlü 2.048 MH t v.: Iccidad 11j.I de daloo Veloxi
La fig. 16-9 muestra el diagroma de bloques de un chip combinado tfpico. La fig. 16-9b mUCW'.Ila curva de respuesta en frecuencia de l fillro pasaband.l de transmisión. y e:n la fig. 16-9c se: ve: la respuesto e:n frecue:ncia del filtro p:1Sohajas de: rece:pc ión.
Modo de velocidad fija de datos En e:1 modo de: I'elocülcul jijo dt da/os. OfrteUellcil/ jift, de d(l/os, los relojes maestros de tranJmiJid" y rtetpc/&! e n un c hip combinado (CLKX y CLKR) hacen las s igu ienlCl funciones :
l . PlOfio.donar el reloj maestro para e:1 fil lro incolpOrndo (d~ (1 bordo) de capaciu,lI" con· mutado. 2, Proporcionar el rdoj para los convertidores analógico a digiLDI y digituJ a anuJ ógioo. 3. Dctenninar las frecuencias de d:lt(J!l de c nlrada )' salida enlre el oodec y el IrayCC10
PCM. Por lo anleriO!". en e:1 modo de ve:locidad fijo de: datos, las rrecue:n cias de: datOli e:n tranJ misión y recepción deben ser 1.536. 1.54 o 2.(\.1 8 Mbps. igual que la frecu encia de l re loj maest ro. LOli pulsos de s incronizac ión de trama en transmisión y recepci ón ( F5X y F5 R) son enlrudas de 8 Ir: Hl., que estabkcen las fr«ucnc ¡a~ de mues/reo de transmisión y recepción. y difeTl'ncian las Immas de señoliwcidll y "O de uñ(lU;:¡¡ción. La salida TS X es de actil"" büfe r estrobmcdpico de rallura (/~ tiem/IO que: se usa para conducir la palabra PCM al truytclo PCM, cuando se usa el bUrer externo para acti var la línea. También. fSx se usa como pu lso externo de: eOfllrol pan un muh ¡ ple~ or 1>01" d ¡ v¡ ~¡ón de tie mpo (vbse la fig . 16- 10). Las datos se transmiten al lra)·eclo PCM desde DX en las ocho primeras ttansiciones pos ilivas de CLKX después del lado cll'C ienle de FSX. En el canal de recepción se reciben los da· lOS del tra)·CC10 PCM desde DR en los primeros ocho lados decrecientes de: CLKR, después de la ocum:nc ia de F5R. Por consiguie:nte, se deben sincronil.ilf hu ocum:nciu de F5X )' FSR en· tre: los codees, e n un sistema de canal múltiple. pMU asegurar que sólo lran~mila o reciba un co+ dec o o del lrayeclo PCM en delenn inado momento. La fig . 16·10 muestro e:1 diogntma de bloques y la secuencia de: sincron ización paro un sistertUI PCM de un solo canal, que: usa un chip combi nado en el modo de velocidad fija de dalOS. )' que funciona con una frec ue:nc ia de re:loj mac:wo de 1.536 MH z. En el modo de velocidad
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¡" FIGURA 16-10 Sistema PCM de un solo canal con un chip combinado en el modo de \11- ¡dad fija de d ... oe : (a) diqllmll de bloques {contInlÍB]
fija de dal OS. 10$ dalos c nlran y SOI len e n un mis mo canal en ráfagas cona.~. A c~1C n~o de ape. 1'a!:ión se le llama a " Ctt$ motfo de rá/agu. CUllndO sólo hlly un canal. e l tmyCC10 I'C M sólo esl:i ac,i.-o 1/24 pane del tiempo tOlal de tmma. Se pueden agregar más canales al 5istema, sicmpre y cuando se si ncronicen sus trnnsmis iOlles de tal modo qoo al mismo tiempo no haya Imnsmi siones de ningún OIro cana l. En 111 tig. 16- 10 se puede obstTvar lo siguitnte: 1. Las frecueocias de bi ts dI' entrada y SOIlitb del codee son igual a la frecuencia del reloj maestro. 1.536 Mbps. 2. Las entradas y salidas dd todee son de tH .OOO bits PCM por segu ndo. J. La salitb de dalOS (DX) y la entruda de dalOS ( DR) sólo~tán octivadas la 24' pane del tiempo tOlal de Il1IIl1a. 125 ¡U.
'¡';""'" la Fig. 16-10. sc debe s incronizar la ocum:ocia de las sclbles para COO::l canal ::ldicion:ll. ¡>:mI que sigan una sccueocia Cltacta. y no pt'mlÍlan que trnnsnlÍ ta o reciba más de un tlXkc al mismo tiempo. La ri g. 6- 11 muc:;tr.t el dia· glllffill de bloques y la sccueocia de sincronil.1lCiÓfl p.'lI1l un sislCma PCM-TDM de 24 canales. (uncionDlldo con una fre<:ueociQde reloj mnc5lro de 1..536 MH1..
7 22
Capitulo 16 Mat rnl protegido p?f derechos da 1.ul')r
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CU1ll1do la fll:C"uencia de muestreo es de 8 kHI, el tiempo de troma es 125 ¡.t.S. Por COIlsi· guienle, una palabra PCM de 8 bits de cada caJUlI se lronsmite yfo recibe dUrnllte cada trama de 123 ~. Paro que haya 16 bits en 123 JLS, se ~uiere un reloj de transmisión y recep.:ión de da· tos de 128 1.:HL
1canal X 1 lrama X 125¡.u 8 bits 2 canales trama I . . rrecucocla de bits = 'b,.. 8 bits
X
canal
=
125 p.s = 7.8 125!lS 16 bits
bit
1
7.8 125 ¡.u = 128 kbps
2 canales x 8000 tramas trama segundo
_
128 kbps
Las KI\:lIesde activar Il1U1SmisiOn y reu:pciÓll. FSX '1 FSR respectivamente. para cada codec están activas durante la mitad del tiempo total de trama, En consecU(ocia, a un codcc se alimentan señales de ac!ivl\T ttansmisi6ll '1 recepción de dalos (FSX y FXR) de 8 kHI, con ciclo de lr.lbajo de 50%, y se alimentan al otro codee desfasadas 180" (in \'enidas). activando asC sólo a un codee al mismo tiempo,
...
,,. ,x,,,,, """" a kH.
FSX
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,. FIGURA 16012
Multiplexado
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727
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TABlA 16-3
Resumen de 18 je¡ 81 q.¡ia
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FIGURA 16-14 Oia¡rema de bloques de una terminal digital de grupo maestro o de televisión ca I é cittI
de senal proporciona desplnamie mo de frecuencia pana las sellales de grupo llIilCStrO (las despl:u.:¡ de una banda de 564 a 3084 kH z a una de O a 2520 Ir: Hz) y la re!ilaul1IC"ión de la sella] de lc:1ewisión a cd. Al desplazar la banda de grupo maestro. es posible muestrearla a una frecuencia de 5. 1 roo IH.... El muestreo de la televisión comerc ial se h ~ al doble de esa frccucltC ia. es decir.
a 10.2 MHz. pan¡ cu mplir con los requis itos de trunsmisió n, se usa un código PCM de 9 bits pana d igitalizar cada muestra de l grupo maestro o senal de telev is ión. La salida di gital de la tenninal es. entonces. de unos 46 Mbps pan el grupo maestro '/ 92 Mbps (e l doble ) parula sella] de televisión. La lennina! digi tal de la fig. 16--14 tiene tres funciones espedficas: 1) cOfl\'icn e los datos paralelos de la salida del codificador a d3tos se rie: 2) insena bits de si ncronización de trnma y 3) conviene la seiW binaria en serie cn una forma más adecuada pana su tr.tllsmi siÓII. Además. pam la lenninal de telev is ió n co merc ial, la sena l digital de 92 Mbps se debe divid ir en dos seilales di gitales de 46 Mbps, porque no ha,/ ' ·elocidad de ICnea de 92 Mbps e n la jerarqll (a digi tal.
Terminal da teléfono IlÍsual En cst'ltCia, un IIdlfono l;sua/ es una ITIIn smisiÓR de:: video de baja calidad entre suscriptores no ded icados. I'or J1I-l!OIICS económicas, se prefiere codificar una sellal de teltfooo vis ual en la capacidad TI de 6.312 Mbps. bastante menor que las se/\ales de trnnsmisiÓR comercial. De esta
730
Capitulo 1 6
Mat rnl protegido p?f derechos da "lul')r
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jLT.rdlo
IIl1CronlzKiOn de di_l6n
TemPt.r'>O
Códlgo de l bita
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I
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t '" fTI.n.lción tempran.,
FIGURA 16-1:5 Foo"lIIto de codif..,.......... de dstoa
forma se reduce en forma apreciable: el CO!OIO. '1 el servicio es mjs asequible. Al mismo ticntpo, pc. mire la transmisión de un tktaIlc. OOfltnlSlC Y ~uci6n adecuados. que satisfacen al suscri ptor piomedio dellelHono visual. El servicio de telHooo visual se adapta en forma ideal a un código PCM diferencial. La PCM diferencial se parece a [a PCM convencion.I, pero no se uarumite la magnitud exacta de una muestra. En su lugar, sólo se codifica y se uarumite la diferencia entre esa muestra y la a.ntcrlor. Par.!. codificar la diferencia entre las muestras se requieren bastante ~ bits que pan codificar loda la muestra real.
T81 ",inal de datos La parle del uilico de eomunicacionC$ donde intervienen los dato!! (Kilalcs dist¡nta~ de la "01:) se mcuentnlo en =irniento ~JXII1encial. Tambi~. en la mayorla de los casos,las frecuencias de datos generadas por cada suscriptor individual son bastanll: menores que: las capacidades de las
Hncu digitales. Por lo anterior. es lógico que se diseñen terminales que transmilan señales de datos de varias fuentes. por la misma linea digital. Las seftales de datos se podrlan muestrearen forma directa; sin embargo. para eso se ne o cesitarlan frecuencias excesivas de mUC$treo. y se ocasionarían frecuencias de transmisión de bits dclTUlSiado altas. en especial paro secuencias de datos con pocas o ninguna transición. Un ~todo nWi diciente es uno que codifica los tiempos de transición. Ese ml!todo 5e muestra en la fig. 16-15. En el ronnato decodificación que se ilustra. se usa un código de lreS bit¡ pan iden· tiflCar c:ullndo suceden transiciones en los datos. y si la transición es de un 1 a un Oo viceversa. El primerbit del código se llama bit de dirección. Cuando este bit es un 1 lógico. indica que no hubo transición: un O lógico indica que si" hubo transición. El segundo bi t indica si la transición ocurrió durante la primera mitad (O) o la segunda mitad (1) del intervalo de muestra. El tercer bit indica el signo o la direccioo de la transición: un 1 para este bit indica una uansición de O11 l. Yun O indica una transición de 1 a O. En consecuencia. cuando no hay transiciooes en los datos. !OC! Il1U\$mite una 5ei\a1 con iÓJu une.. Seria suficiente 56Ju la frlImmisión del bit de dirección; sin embargo. el bit de signo permite conlaf con cierto grado de prouxcióo contra eitotes, y !imilll la prop;Igación de los e1 iOil:S (es (:liando un em)¡" provoca un segundo error. y a.~r suce.~ivamente). La eficiencia aproximada de este formato es 33%; h.ay lreS bits de código porcada bit de datos. La ventaja de USIIT un formato codificado y no 105 datos originales. cs que 105 datos codificados sustituyen a la vo~, con más eficiencia. eo 10$ silitelTWi analógicos. Sin esle formato de codifi· cación. pan transmitir una sella! de datos de 2.50 kbps se requiere el mismo ancoo de banda que el oecesario para transmitir 60 canales de YO~ con multiplexado analógico. En este formato rodifieado, una sellal de datos de 50 kbps desplaza a tres canales codificados PCM de 64 kbps. )' una corriente de datos de 250 kbps sólo despll1.lt 12 canales de banda de voz.
Multiplexado
73' Mat rt'll protegido por dcrf'r.hos de>
'll
COOIFICACION DE ÚNEA La codificación de /(nru consiste en COlwertir oh'eles lógioos nonnalitOOo5 ~ CMOS y semejantes) a una forma má~ adecuada para su transmisiÓn por linea telefónica.. En esencia. ~ deben lener en euenlll seis raclon:s principales al selc:ccionar un formato de codificación de IC/lea;
l. Vahajes de transmisiÓn y component e: de CD. Z. Cido de trabajo. J. Ancho de banda. 4. Recuperación de reloj. S. Detección de errores. 6. Facilidad de detección y decodificaciÓn.
Voltajes de transmisi6n y componente de CD Los voltajes o oh'eles de lnlrlsmisión se pueden clll5ificar como unipolaff!s (U P) o bipolarts ( BP). La trnnsmi sión unipolar de datos binarios impl ica tr.lllsmitir sólo un nivd de voltaje dislinIO de cero (por ejemplo. + V para 1 16giro y O V o tierra para un O lógico). En la tranSmi sión bipolar intel"Yic:ncn dos n¡,-eles de voltaje distintos de cero (por ejemplo, + V para un I lógico y - V pan! un O lóg ico). En una UIK'Il de Il'Ilnsmisión digilal. es má.~ d iciente:. en cuando D. poIencia. codificar datos binarios COfI voltajes cuya magni\l.ld.sea iguol, pero de polaridad opuesta y balanceada si~lrica mente respecto a O V. Por ejemplo. suponiendo una resistencia de I n y un I lógico para +.5 V
Y un O lógico para O V, la poIem,:ia promedio requerid;¡ es 12..5 W (suponiendo probabilidades iguales de (ICU1Tencia de 1 YO). Si el nh'el I lógico es para +2.5 V Yel Ológico es para - 2.5 V, la putencia promedio KIlo es 6.lj w. As!. al usar voltajes bipolares sim~lricos. la potencia promedio se reduce en un 50%.
Ciclo de trabajo
•
Tamb~n
se puede usar el dc10dr trabajo de un pulso binario para clasiflC8fel tipo de transmisión. Si el pulso binario se mantiene durante todo ('1 tiempo del bit, se llama sin "'g",sl) (1 et!ro o no ""reso a uro (NRZ, de rlOnretum to uro). Si el tiempo acti vo del pulso binario oc upa menos que el I(X)% del tiempo del bit, se lrllla de UD re,reso o relOmo a cero (RZ). de ",mm 10 uro). Los voltajes de trnnsmisión unipol ar '1 hipolu, y la codificaci6n con regreAO B c"ro )' .in regreso a cero se pueden combinar de varias maneras, para obtener detenninado esquema de rodificación de linea. La fig. 16-16 muestra cir"lCO posibilidades de codificaciÓn de linea. En la fig. 16- 1&1, ~o hay un n¡"el de voltaje distinto de cero ( + V - 1 lógico); un voltaje cero ~i mplementc implica un Obinario. Tamb¡~n, cada I lógico mantiene el \'o1taje positivo du o r:uue todo el tiempo dd bit (ciclo de trabajo de 1ClCl%). En consecuencia. la tig, 16-100 reprc li"nta una seftal unipol:u- si n regreso a cero (UPNRZ). En la tig. 16- lób hay dos voltajes distintos dccero (+ V - I lógico, Y - V - Ológico). y se usa un ciclo de lrllbajo de IClCl%. La tig. 16-lób representa una senal bipolar sin regreso a cero (BPNRZ). En la lig. 16- 16c KIlo se usa un voltaje distinto de cero. pero cada pulso sólo está activo durante el 5O'l> del tiempo de hit En COflSC!CUt;ncia. la lig. 16-16c representa UIUI s.ei\a1 unipolat ron regreso a cero (UPRZ). En [:1. lig. 16-1&1, hay dos voltajes distintos de cero (+ V ::: I lógico Y - V - O lógico). Thmb~n. cada pulso sólo cstá ocli,'o el SO% del tiempo total de bil. Por- [o tanto. [a fig. 16- 16d re~nUl una senal bipolar con regreso a uro (BPRZ). En In fig. 16- 11)., de nu"vo hay dos ni\'eles de vol taje distintos de uro (- V y + V ), pero aquf ambas polaridades ~prescntan un l lógico, y O V representa un O lógico. A este rnftodo de codificación se le llama ifl\·trsión o/Iemo df: marca (AM I. de OI'trnOff: marl: illl·rrsjOll). En las IIunsmi$iooc:s AMI. cada Ilógico sucesivo se ¡n\'iene en polaridad respecto al I lógico anterior. Como:le usa el retomo a cero, a esta tknka de codificación:le le llama bipolar con frsrrSQ a cero " jlll"ersMn allerrw de marro (BPRZ-AMI). En la codificación NRZ. una cadena larga. de unos o UI"O$, produce UIUI condición en la que el recepfOJ puede perder su refcn:ncia de wnplitud. pan! tener UIUI discriminacióri ópima entre los I YO recibidos. A esta condición se le llama l"arincM" de CD. El problema lambi61 se puede presentar cuando lIay un desequ ilibrio importante en la cantidad de unos y cel"O$ IIunsmitidos. La lig. 16- 17 muestro cómo se produc" la variación de cd debido a una larga cadena de unO$ Iógieos sucesivos. Se "" que despub de esa cadena larga. son más probables los cnures de 1 a O
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Capitulo 16
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AGURA 16-16
Formatos de codiw-eció" de lnea: (a) UPNRZ; {bJ BPNRZ; (e)
UPRZ; Idl BPRZ; [el BPRZ-AMI .V
ov -V FIGURA 1&-11 'III!iaci6rI de
ce
que de O a l. De igual modo. las cadenas lru¡1lS de ceros aumentan la probabilidad de un error deOa L ~Iodo
de codificación de ¡rnea qUoC "" use: dc:tennina el ancho mlninK> de: bIlnd.a rK.'CCurio pan! la tran§misión. la facilidad con la que ~ puede cx.lraer un reloj de: ella, la facilidad El
de decodificarla. el nivel promedio de cd, y si cuenhl con un rnttodo conveniente p:u1I extraer
cnorcs.
Consideraciones de ancho de banda Para determinar el ancho mínimo de banda n«esario paI1I propagar una seMi codlr... wtp en lInea. se debe d(:temlÍnar La mayor frecuencia fundamcnlal asociada con ella (v~ase la rig. 16-16). Lo frecuencia fundamental mbilTlll se dc1amino con el peor de los casos (tt:msici6n rrnU rnpidal de secuencia de bits. En UPNRZ la condición del peor de lO!! CIlSOl es unll rrrcuencill de 1/0
Multiplexado
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Multlpleudo ntedlAico por dlvilioOn dilt""'PO
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xx xx A, 8, S, e, ---..,.-- --...,-
XX
XX
Prime'
Segundo
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--
xx Indg q... hay datos prltMf1,.. - Indic. q"" no hay dat... p r _...
FIGURA 16-22 ComparaciOn entre TOM sinctooa Y TOM estadistic.a
cuando ,odas las term¡nalc~ estén 3t'ti vas, Lomi~mo sucede e n los siste mas !"CM·mM quc:con· dl.lCen conversaciones tekfónicas rn grado de vm_ La conversación normal impl ica. gcneralme n· te, que la c<.tn\'crsación sólo se transfiero en una dirección al mis mo tiempo, y que haya pausas impon.mlcs en las secuencias normales de cOlwc~ión , Alif, hay mucho tiempo que se delópcrdicia dentro de cada tmma TOM. Sin emhargo, hay una. alternativa e ficiente para mM síncrona. llamada TOM cstad rsticu. que u VC'Ce~ se Ihulla TOM asíncrona o inteligente. Un multipluormM estad ístico aprovecha las imerru pcione¡ mllurales en las trnnsmisio..." aslgnW>llo. o::n fOfTl\il d inámku. m\lo::liCas do:: tiempo segtln la demamia. Asf como en el mult iplexO!' de un sistema mM slncrono, un multiple¡¡or estadlstico tiene una cantidad finiUl de líneas de datos de baja \'elocidad y una línea de salida de alta velocidad. de: datos multiplexados, y ca · da Unea de entr..da tiene su propia memoria o OOfer. F..n el nlUlti llleXOl' esUl!Uslico hay n líneas de entrntla. pero sólo hay k nlUc:seas de: tiempo disponibles dentro de la tnUl1!l TDM (siendo k < n). El multipl exor recOl,e las memorias de entrada y colecta datos hasta llenar una trama. y en ese momento se trnnsmite In trama. En el exu-emo receptor ~ lo mismo: hay nlás lineas de salida que muescas de tie mpo dentro de la truma TOM. El demultiplexor sac;:n los datos de las mueseas de .iempo y los dislribuye a sus memorias correspoodientC$ de salida. La mM estadística apro\'ccha que los disposi th'os conectados a las e ntradas 'j salidas 00 tronsmi.en ni recihc:n toda.~ todo d tiempo. y que 13 frecuencia de datos de la Hllea multiplexada es menot que las frecue ncias eombinadas de datos de los dispositivos eonec'OOos. En otras palabras, un multi plexor eSl3d fstico TDM requ iere menor \'docidod de dalOS que la que necesita un multiplexor síncrono para dar servicio a la misma cant idad de d isposit i\'Os de ennuda. Tambit!n, un muhiple,xoresladfs.icoTI)M que funciona a la mis ma \'elocidad de transmi sión que uno mM puede dar servicio a más di spositivos. La fig. 16-22 muestro una eompnroción en tre TOM estadlstica y slnerona. Se muestran cuatro fuentes de dalOS. A. B. C Y O. YCU:lII'O mUCSCaJ de lil:mpo o ~as, I , ,'z Y t ) , El multí· pleJtor !fncrono tiene: una frecuencia de: salida de datos igual a CUlltro \'O!XS la frecUl"neia de datos de cada uno de: los canales de entrudu. Dumo'e cada trama, los datos se colectan de las cuatro fuenles. Y!le Ir:\fIsmilen ~i n imponarsi hay o no datos de entmda. Como se ,'e en la figura. duranle la mllC:iCa de t~mpo Ir). los canalcsC y O no lenlan daTOS de entrada. y se produjo una trama TD M transmitida s in infonnac iÓn. en las muescas de tiempo C y D. Sin embafllO. e n el multiplexor estadlstico 1'10 se transmiten las muescas de tiempo voclas. As!. durante la primen. mueSC!l de
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742
Capitulo 18
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8.lno;Ie •• cM Inicio
C.mPOcM
Com",
d l. eocI6n de control
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FIGURA 16-23
tie mpo sólo se transmite inronnación de los canal es A y B. Sin embargo. una des ventaja dd fonnato estadEstiooesqoe se pierde el signifICado posicional de las m~as de tiempo. No hay forma de conocer por adelantado cuáles canales de datos estndn en cuál muesca de tie mpo. Como los datos llegan y son distribuidos en forma impn:dccible en las memorias de recepción. es rlCcenria la infOffilación de direcció n IXlra asegurar la entrega adecuada. Para eso se necesitan más indirectos por muesca de tiempo con TDM esutdlstica. porque cada ranura debe contener una dirección. ooemás de los datos. El formato de ttama que us.a un multiplexor estadlstico tiene un impacto directo sobre ID diciencia del sistema. Es obvio que se desea minimizar los indirectos par.! JTM:jorur la capacidad de datos. En el caso normal. un sisrema TDM C'S!!l(lIstioo usa un protocolo slncrono, como el HOLC. Se deben inclu ir los bits de control paro d mulliplcxado en la lroma HOLC. La fig. 16-23a muestra el formato general de trama pan un multiplexor esloofstico TOM. La lig. 16-23b m uestra la trama cuando sólo tran smite una fuente de datos . El dispositivo transmi.wr se identifica con una dirección. La 10ngilUd del campo de datos es variable. y sólo se limita por la longitud de la tnlma. Este tsquemu funcioo:l bien cuaodo la carga es Iigcn.. pero es muy incfJCicnte cuando las cargas son grancks. La fig. 16·23c muestra una forma de mejorar la eficiencia. penniticn. do incluir más de una fuente de datos dentro de una 10Ia tnlma. Sin embargo. cuando hay varias fuentes. es necesario algú n medio de especifi car la longitLKI de la corriente de datOS de cada fuente. En consecuencia, la muna Clitadlstica consiste en secuencias de campos de tbtos idcntirtcados COIl una dirección y una cuenta de bits. Hl1y vari as t&:nicas con las qu.e se puede mejorar la efi· ciencia. El campo de dirección se puede acortar usando un esquema de direccionamiento relati · vo. en el que cada dirección Clipccifica la posición de la fuente actual. en rel DCión con la fuenle tnlnsmititb anteriormente. módulo la cantidad total de fuentes. Con direccionam iento relatÍ\·o. un campo de dirección de ocho bits se puede reemplllZlll" por uno de cuatro bi ts. Otro rnttodo de refinar la trama es usar una etiqueta de dos bits COI! el campo de longitud. Los valores binarios OO. 01 . 10 Y 11 corresponden a un campo de datos de 1.2 o 3 bits. y no se necesita campo de longi tud. El código 11 indica que se incluye un campo de long itud.
MULTIPLEXADO POR DMSION DE FRECUENCIA En el m14lliple.wdo por dil'jsi611 dI.' [rtC14l.'ncW (FDM. de !rtqlU'nry.di,·ision muflipluil1g). se convierte cada fuente de. V1lria.~ que origi nalmente oculXlban el mismo espectro de. frecuem:ias. a una banda di~linla de frecuenci as. y $e lransmitc en formn ~ jmultáncll por un 11010 med io de tronsmi si6n. AsI $e pueden transmitir muchos canales de banda relativamente angasla por un solo sistema de transmisión de banda ancha. El FDM es un esquema análogo de multipleudo; la información que entra I un sistema FDM es analógica y pennanece analógica durante su transmisión. Un ejemplo de FDM es la banda comercial de AM. que ocupa un espectro de f~ellCias de 535 a 1605 kHz. Cada estación tiene una seftal de información con un ancho de banda de O a 5 k:Hz. Si se tnnsmitier.l el aud io de cada estación con el espectro original de rrccoencias. seria imposible separar una estación de las demás. En lugar de ello. CIlda eslllCión modula por amplilud una f~encia distinta de portadora, Yproduce una seft.al de doble banda IlIteral de 10 k:Hz. Como lu frecuencias de las
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E.tlCiOn lOO le" 1590 kltl
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EtIflCión 107 le" 1&00 kH.l
FIGURA 16-24 Mutipkwldo por divi&i ~i de frecuenciII en ast..dt:¡¡¡¡slI comon:ielell de f
portadorns de eslociol'\eS adyace nles cSl:l.n SCp;1mdas po!" 10 " Hz, la band:l~'Qnlerci31tOlal deA M se divide en 107 muescas de frecuencia de 10 " Ih, apiladas una sobre otra e n el dominio de la frecuencia. Para recibir dc:tenninada estación, sólo se sintoniza el receplor con la band;¡ de frecuen cias asociada con las transmi siones de esa estación . La rig, 16-24 muestra cómo están multiplcxadali las estociones de r.ldio comerciales de AM, por divis ió n de frecuencias. y se transmiten por un solo medio de transmi sión: el espaci o libre. Hay mucha.~ Olr:l,~ aplic3cioncs de la FOM . por eje mplo, la FM comercial y las ctnisor.c; dc te!cvisión, asf como lO'! sistemas de tele<:omunieaciones de alto \'olul1l<' n, Dentro de c ual_ quiera de las bandas de transmisión comercial. las tnmsmisiones de cada estltCión 5Qn independientes de las de más, En consecue ncia. el proceso de multiplexado (a pilado) se hace s in q ue haya sincronización entre las estaciones, En los si stema.~ de comunicaciones telefónicas de alto volumen, muchos canales telefónicos de banda de \'01. se puc:dcn originar en una fuente común y ten ni nar en un destino común. El equipo de: lenl1 inal de fuente y destino se parece más a un j jJlt'mn t'{ccl rónico dI" conmulaciÓlI (ESS. de t'1t'crrorlic ,rwirchirlg l )'Slt'm) de: a llll capac idad. Debido a la posibilidad de que haya una gran cun tidad de c anales de banda angosta que se originen y terminen e n el mi smo lugar. lodas las operaciones de muhiplexado y tkmulliplc.udo :;e debe n sincroni1.ar.
JERARGUlA FDM DE AT&T Aunque AT&T ya 110 es el Ilnico provecxlor de pcwIlldOr:l comun de larga distanc ia en Estados Unidos. sigue proporcionando la ma)'Ofpurte de los :;erviciO'! de larga distancia y. aunque no sea más que por su tllllllli\Q desmesurado.:;e ha convenido en la o rganización normalil.adora para la industrialdef6niea en Norteamériea , La red de romunicaciooes de AT&T e n Estatlos Unidos se subdivide en dos grupos: corta dislanciu y larru dislallf: ju . La portadora T I explicada antes en este capítulo es un ej emplo de sistema de comunicaciones ron penadora de cona distancia,
Comuntcaciones de larga distancia con FOM Lo li g. 16-2j mueslrn la jerarquía norteanX:rH:an3 FDM de AT&T para comunicacione5 de lar· ga distancia. Sólo se ~'e una len ni nal transmisora. aunque en la lenninal receplora se debe hacer el conjunto complc:to de funciones 1I1\'eI$l5.
Canal de mensaje El moo/ de mcruaje es la piedra l..'Qnstructi\'!l de la jerarqura FD M, El canal M sico de men~je era. en un principio. para transmisión de V01~ aunque ahora incluye todas 111.'; transm isiones que
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Capitulo 16
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TABLA 18-8 Frecoencias de po!" t8dora de supe¡ gr\lPO para un
grupo ma ' =trCI UBIXI ~Ik
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16 11 18 0 25 0 26 0 21 028
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Paro el supergrupo 13. f~
- 111 6kHz - (3 12 k.H za 552 kHz) = 564 kHza8Q.1 kMz
Paro el supergropo 14. fNA - ]364 kHl - (3 ]2 ¡¡Hla 552 ¡¡Hz) - 8 12 ¡¡Hlolt ]052 ¡¡Hz Pam e] super¡;ropo 0 28.
f ... .. 3396 kHlo - (3 12 kHz a 552 ¡¡Hlo) .. 2844 kHz a JOS4 kHz Las salidas de ]05 10 moduladon:s de suprrgropo
se sum an en el sumador lineal paro
oblener el CSpec:lro 100a[ de gropo maestro de la I1g. 16-28b (de 564 a 3084 kHz). NÓI~ que enlre lb supergropos adyacenles cualq uier.! hay una banda vacía de frecuencias. que no se in, cl uye dentro de bandll alguna de su pergropo. Estos hl.lel:os se llaman bcJndas de prol«ei"n, Son necesarios. porque el proceso de desmultiplnatio se hace por fillrado Yconvenoión desce nden, te. Sin las bandas de prOlección seria diflcil separar un supergropo de otro adyacente. Las bandas de protección reduccn elfUClo r de culia/ld {Ql n\X'e!laOO para hacer el filtrado necesario. La banda de protección es de 8 kH z enlre todos 105 supergrupos. excepto el 18 Y el 0 25. donde es de 56 kHz, En consecuencia. el ancho de banda de un grupo moestro U600 es 2520 k.Hz (de 564 a 3084 kH z). mayor que el na:e,o¡ario par.I api lar 600 canales de banda de voz (600 x 4 kH z .. 2400 ¡¡Hlo). Las band:u de protección no fueron necesarillSentre grupos :wJyaccntes, pon¡ue las frecuen· cias de grupo wn bastante bcljas. y es relllli\'llmenle f:'ici] fabricar fillros pasabandas par1I K'¡)anlI' un grupo de los d(:rnJis, En e] banco de canales, el filtro antial ill!i en la entrada del canal pasa una banda de 0.3 a 3 kHz. La separociÓn entre III,~ frecuencias de canales udyacentes es 4 kH1~ Por consiguiente, hay una banda de pllMecciÓll entre los canales ady~te5. Esto se ve en la fig . 16-29,
Grupo maestro L6DO En un grupo maestro L6OO, se rombilUln 10 sUpe!},'TUpos como en el grupo nmeslro U600. pero las rrecucocias de pot1adom de supcrgrupo son menores. La tabla 16-9 es una lista de IlIS rrecuendas de pot1adora de supergrupo para un grupo maestro L6OO. En estos grupos mae:stros, el espectro de banda de base compuesto ocupa una banda de frecuencias inferiores a [as del grupo maeSlro lipo U (fig, 16-30), Un grupo maestro L600 ya no se sigue multiplc1iando y. entonces. la capacidad máxi ma de canal para un sistema de microondas O de cable coaxial que usa un solo grupo maestro L600 es 600 canales de oonda de voz,
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FIGURA 1 &-30 Ch.tpo maestro l6CJJ
Formación de un canal de radio Un C(1f1(l/ de rrulio abarca ya sea un wlo grupo maestro 1..600, o hasta tres grupos maestTOl> U6()) (1800 canules de banda de voz). l..n fig. 16-31a muestro cómo se f0ffil3 una sellal de banda de base FOM compuesta de 1800 canales. para Il'IUlslIli,ir por un solo canal de rad io de microondas. El grupo II'UleSlro I se Imnsmilc en forma directa tal cual. mientras que los grupos maestros 2 y 3 pasan por un paso adicional de multi plexado. Los tres grupos maestros :le 5uman en una red combinadoru de grupo ITl3eSIm paro producir el e5pet'tro de salida que se \'e en lo tig. 16-31 b. N6I:ese la banda de pmlttCi6n de 80 kH... enl re los grupos mac.slros adyacenles. El sislema de la lig. 16-31 se pucde Du mcnlar de 1800 a 1860 canllles de banda de VOl. agregando un supergrupo ad icional, cJ 12, en rorma direcla al grupo maeslro l . El supergrupo adicional de 3 12 kHl a 552 kH'l. amplfa el e:SpcClro co mpue:.sIO de: salida. que: es de: 312 a 8284 kHz.
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Capitulo 16 Mat rnl protegido p?f derechos da ":lul')r
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MULTIPLEXADO POR OMSIÓN DE WNGrrUD DE ONDA El mllltipl~.xQ(lo por dil·isiÓfl d~ IOl/glllm d~ oru/a (WDM. de wll\~/~ngth-dil"/si()fl mU/liplulng) se ll ama a veces mllltipll'.mdo por di,ojsiÓf! d~ onda. Como la longitud dc onda y la frecuencia se n:1 ~ionan en forma estrecha. e l multiplexado por división de 1000gitud de oo<1a ¡¡e parece al de división de frecucocia (FOM). Se parecen porque se lnIta de maooar sdlales de infonnoción que: ocupen la misma banda de frecuencias, a trav~ de la misma fibro y al mismo tiempo, sin que interfieran entn: si. Esto se logra modullUldo diodos láser de inyecc ión que trans miten ondas lumioosns muy t"Uoccntl"'Jdas a distintaS longitudes de onda (es decir. a di stintas frecuencias). Por consiguiente, el WDM es acoplllJ" la luz de dos o m:is longitudes de onda discretas para que entre y salga de una fibra óptica. Cada longilUd de onda es capu de llevar gr.lndes cant idades de inform~iÓn. sea IInlllógica o di gital. y la inrorm¡w;;ión pucde estar ya multiplexada por división de tiempo o de fn:cuencia. Aunque la informaciÓn que se usa con los IIlscrcs casi siempre consiste en señales digitales multiple~adas por dh'isión de tiempo. en la separ.JC ión de lon gitu des de onda que se usa con el WDM es análoga a los eanalesanalógicos de radio que fuocionan a distintas fn:cuencias de ponOOOl1l.
Comparación de muttiplexado pOI' división de longitud de onda y pOI' división de frecuen cia Aunque el multiplexado pordivisiÓl1 de frecuencill y de longilUd de onda se oo.'iIlJl en los mi srnos principios, no 5()f1 lo mismo. La diferencia m:is obvia es que las frecuencias ópliea.~ (en T Hz) son mucho may~¡ que las radiofrecuencias (en MHz y GHz). Sin embargo, es posible que la mayor difm:ncill sea la forma en que se propagan Ia.~ dos sellales por sus medios respectivos de transmisión, En e l FDM, las ser'lDles de información con el mismo ancho de b.1nda proecdemes de varias fuentcs modulan di stintas rrecuencias. y eada rn:cucncia tiene su propio ci rcuito modullldor. y cada sellal de infomlXiÓlllÍelle su propia Insa de modul:ICiÓrl. La\ se/lllk5 FOM se propagan al mi smo tiempo. por el mismo medio y siguen el mismo camino de lnIn srnisión. Sin embargo. el principio básico dd WDM C$ IIlgo distinto. La.~ longitudes de 00<111 distintas de un pulso de luz viajan a tr.l\·k de una fibm óptica a \'e1ocidlldcs difen:ntc.~: la luzll1.ul se propaga con mil.s lentitud que la I U7. rojll. En los SiStem.ls norm:lIC!i de comunicocione5 con fi bra óplica. al propagan;e 1001u1. parel cable. la dispersión de longitudes de onda hiICe que hu onda, lumill
D-WOM, longitudes de onda y canales de longitudes de onda El WDM:;e logro en ge nerulll las lon gitudes deonda..~ apm~i madas de ISSO nm (1.55 lun) y las fn:cuencia.~ sucesivas separadw; por múlt iplos de 100 GHz: es decir. son 100 Glb.. 200 GHz. 300 GHz. En ISSO nm y una &eparaCión de frecuencias de 100 Glb. la scpar.ICión de 1000gitudes de onda apro~imad3 es 0.8 nm. Por ejemplo. tres longitOOcs de onda adYlICCntcs, !iCparadas elltre si por 100 G Hz, OOITcspoodcn a longi tudes de onda de 1550.011111. 1549.2 nm y 1548.4 nm. Si se usa una t&nica de rnu!tiple~ado llamada mll/liplu(lllo pordil·isión d~ onda d~nSIJ (D-WDM , de dt'ls~·"nl1·e-(liI'ision nlllltip/uingJ. la distanc ia entn: las frecucncias ady3CenlCS es bastante me rlOr. Si n emb.lr)!o. piln:ce no haber definición ofieial ex:.cta de qué si g.n ificlI D-WDM. pero en general. se consideran como WD~1 normales D lo!; sistemas óplicos que conducen varias señales
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CaplbJlo
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FIGURA 16-32 (a) Mu"-iplwado por dMsiOn de frecuencia; lb] mu.tipIa."do por dMsi6n de longitud de onda •
ópticas distanciadas más de 200 GHz 0 1.6 nm, en la proJlimidad de 1550 nm. y a los sistemas WOM que conducen varias seftaJes ópticas cerca de ]SSO nm con separación menor que 200 GHz se les considera D-WDM. Es obvio que cuanlo más longi tudes de onda se liJen en un sistema W DM. más se acercamn enlTe sI. y el espectrO de longi tudes de onda ser:! ma)'or. Las ondas luminosas lienen muchas frecuenci as (longitudes de onda) y cada frecuencia correspoode a un color diferente. Se han desanoUado Irnrlsmisores y rettptOln. pan fibras ópticu. q ue AÓIo lraR$mj¡~n y !,, ,ti ben un color e_p«'rtko, ('lI decir. una Ion¡iwd de onda cspccmca.
con una frecuencia especifica y ancho de banda fijo. El WDM es un proceso en el que distintas fuentes de in formadÓll (canales) se propagan poi' una fi bra 6pdca • distinuu longitudes de on· da. que no interfieren entre Ir. En esencia. elida longitud de onda forma un "cllflil" óp(ico de Ip 5uperclUTCtera de transmisión, y mientnlS más cllfliles haya, se puede conducir más tnifico (de voz, datos, video, elC.) por un .010 cable de fibra óptica. En con tnlSle. los si~lemali con vencionales de fibra óptica lÓlo tienen un c anal por cable. que se usa para lle var inrormación que ocupa un ancho de banda relativamente pequdo. Un equipo de in vestigación de Se u LaborotOfies consuuyó un transmi5Ol" D-WDM con un $010 láser de lII\i llo de fibru. de erbio dopado. de un femtosegundo de dUI1lCión . que puede tnIfIsmitir en fOntlll simult4nea 206 longitudes de onda Muh;;plexado
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'" FIGURA 1 &-33 (a) fsJe," u de ""'I.",.odBB de onda de un sistema WOM que use seis longiwdotI de ooda ; (b) multiplexedo y desmukipIex&do de 6 léS8"e8 •
modulad:ls digilalmcntc (\ Ir.lV~S de un solo cable de fibra óptica. Cada 1000giwd de onda (canal) tiene una frecuencia de bits de 36.7 Mbps. Yla distancia apIl)llimada cntre canales I'S 36 GH:t... La fig. 6-330 mueSlrn el c:spccIJO de longitudes de olida de un siSlcmu WDM que usa seis longitudes de onda. cada una modulada con se~ales de información de igual ancho de banda, La tig . I6-J3b rnuesll"ll CÓfrlQ se combinan (mil hiplcJlóIlll) las lo ngiwdcs de onda de seis l:i..¡cres y a conl inulIC ión se: propagan por un solo cable de fibra ópt ica. para despub scparnrsc (de mu lliplc:xarse) en el receptor con acopladores scleclivos de longitud de onda. Aunque: se ha demostrado que una sola fuenle luminosu. ultml'Tipida puede generar ciemos de canales indiyidualC! de com uni cadones. en ¡cnerall os sislemas de comu ni cac iones WDM se limi taD entn: 2 y 16
camdes. El multiplexado pordillisión de longitud de onda amplCa el de5e mpeoo de la fibra óptica añadiendo canale$ a los cables existentes. Cada longitud de onda agregada eOlTC5ponde a agre· gar un canal distinlo. con su propio ruente de in rorrnxión)' su propia rapidez de tr.msmisión de bits. Asf. el WDM puede ampl iar la capacidad de conducción de inronnoción de una fibni has· la miles de gigabils por segundo o más.
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capitulo 16
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Ventajas y desventajas del WDM Una vcnlaj~ obvia del WDM es su mayor capacidad, y con ese multiplex:.do, tambitn es posible la transmisión dllplex con una sola libta. Ademils. en las redes de romunicaciooes se usan componenles óptico5 que son nW sencillos. más liable.~ y con frecuenc ia me~ COSIOSOS que sus conlrnpanes elt'Clronicas. El WDM tiene la '·entaja de ser, en fonna inllerentc, mis fáci l de ru:onligurnr. es decir, agrt:gar o quitar canales. Por eje mplo, se hUl1 inIDllado redes de área local con WDM que penniten a los usuarios entrar a la red sólo sintoni1.ll.ndo eiena longitud de onda. TDmbiba el WDM ti ene sus limilacKme!. No se pueden poner lu sellales IJUI CCTcllllas en el espectro de longitudes de onda. porque se intml(tell. Su proximidad depende de los partmetros di: diselio del siSl.l:mll. romo por ejc:mplo si se usa amplilicación óptica, y qut t6.:nica de amplificación se usa para rombinar y scparnr las sc:i1ales de distintas longitudes de onda. La Unión Intemaciomd de Telecomunicaciones adoptó una rt:tfcula patrón de frecuencias pata D· WDM, con una separación de 100 GHz o de múltiplos enteros de 100 GHz. lo cual, a 15.50 nm, Wi tC$poode a una scpanw:ión aproximada de longi tudes de onda de 0.8 nm. En el WDM la intensidad gtncr.ll de: la smal debería ser aprorimadamentc igual parn cada longitud de onda. Esta intensidad se '·e innuida por las características de aten uación de la fibra. y por el grado de amplilicaci6n: estos dos parámetros dependen de la longitud de onda. Bajo condiciones normales. las longitudes de onda seleccionadas para un sistema se sepann lan pi)C() enlTC si que la atcnulICión vma muy potQ elllTC ellas. Una difcrt:ncia cnlJ"C FDM y WDM es que el multipleuoo W DM se hace a frecuencill5 ópticns e)(tTemadamente altas. mientras que el FDM se hacc a las frecucnc ias relativamente bajas de r.ldio y de banda base. Por consiguiente, las senales de nidio que conducen FDM no se limitan a pmpagane por un medio de transmisión fb ico contenido. por ejemplo, a tr.l\·b de un cable óptico. Las senD.te~ de rad io se pueden propagar a tra vts de casi cualquier medio de 1nlnSmisión, incluyendo el espacio libre. Por lo anterior. se pueden Inlnsmitir en forma simultánea seilalcs de rndio a muchos desti nos. mientras que lao; ondas lumin0sa5 que conducen el WDM 51: limitan a un ci rcuito de dos puntos, o . una combilUlCión de muchos circuitos de dos pu ntos, que sólo pueden estar donde "D.n los cables. La capocidad de información de una sola fibnl Óptica se puede aumentar n vettli. donde n rt:prtsenla cuántns longi tudes de onda distintas se propagan por la fibrn al mismo tiempo. Ca· da longitud de ooda en un sistema WDM está modulada por sc1\alcs de información de distintas fuentel. Por ronsiguiente. un sistema de romunicac iones que use un §Olo cable di: fibn óptica que propague n longitudes de onda di sti ntas debe uti li2at n moduladores '1 n demoduladores.
Componentes de 108 ctt"Cuitos WOM Los rompoocnles de circuito que se usan en WDM son similares a los de los sistemas conven· cionales de lran~misión por ondn.~ de rndio )' por rond uctor metálico: sin embargo, algunos de los nombres que se usan para los IICOpladores WDM causan confusión. , Mulliplcx~
y dftDulliplo:ol'ft por división de klngitud de onda. Los l7Ul/ripluorts o combil/adortJ Tnel,c]an o combinan las sci\alC$ óptiCll5 con distiRlas longi tudC$ de onda. en una forma que les pc:¡¡ilite a todas ellas pasar a tfllvt s de una §()]a fibn óptica s;n intcrferine eRln: 5(. Los ¡/emU/lip/aores o dMsorts separan las sei\alcs de distintas longitudes de onda. en forma parecida a como los liltros separan las st nalcs el&:tricas de di stinlD.5 frecuencias. Los demul· tiple)(OIl!S por longitud de onda tieTlCn tantas salidas como longÍludes de onda ITUUlCjen. y coda ..alidll (longitud de onda) Vtl • un deMino dj$linto, Los mul tiplell/JO"Cs)' dc: mulupl cxon:5 son 105 UlICmos tenninales de: los sistemao; de eomunicaci~ de fibta óptica.
Mulliple:tora y dtmultlplu:om por dlvW6ft de longitud de onda, de •• repr y qullar. Estos multiplt.xorts y dtmu/liplaortl son parecidos a los notTlUlIc$. pero se ubican en pu ntos intennedios del sistema. Los multiple)(ortS y demulti plellores de .gregar)' quitar 500 dispositivos que separan liRa longitud de onda de un cable de fibra. y la pasan a 0U1I fibta que VI en dirección distinta. Una "el; qui tada una longitud de onda, se puede reemplazar por un. nueYa sdlal de esa misma longitud, En ese ncia, los multipluOfe$ de agrt:gar y quitar se usan para reconfigurar cable;, de fibra óptica. Multiplellado
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A
p
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Tngen p regida por jcrechos jauto
Radiocomunicaciones por microondas y ganancia del sistema
INTHODUCCIÓN Se suelen dQClibir hu microondas como ondas c:Jectromagn~(icas cuyas fm:ueocill5 van desde unos 500 M H ~ hasta 300 GH:t. o más. Por consiguiente, las sel\ales de miciOoildas. I causa de sus alias frecuencias inherentes. ,ienen longihlck$ de onda rela¡ivlrI1('nle rortas. de ahf el nombre "micro" ondas. Por ejemplo. la longitud de onda de una sci'lal de microondas de lOO GHz es de 0.3 cm. mientras que una sena! de 100 MHz. como las de la banda comercilll de FM. liene: una longitud de 3 m. Las longitudes de las frecuencias de microondas VIIlI de: 1 a 60 cm. un poco 1lIayoresque la energía infr.uwja. 1A tabla 17-1es una lislQ de alguoasde las bandas de rudiofrecucn· cia en microondas disponibles en Estados Unidos. Para la operación dlÍplclt (en dos sentidos) que se requiere en gcncllll en los sistemas de comunicaciones por microondas, cada banda de fn:cuc:nc:iu:se: di vide a la mitad. y la mitad infcrior se llama banda boja y la supcnor es la 0011 da (JIta . En cualquier estación de radio dada. los transmisons funcionan nonnalmente en la bando baja o en la alta. mlentras que los receptores funcionan en la otrD.. La gnm mayorfa de los sistemas de comunicaciones establecidos desde mediudo:; de 1m
década de 1980 es de natura1cu digital y por consiguiente tlllnsporta infonnación en fonna digital. Sin embargo. los sistemas tenestres (basados en la Tierra) de radio rtpt!/idoras de mi· croonlhu que usan ponador.u moduladas en frecuencia (FM) o moduladas digitalmente (PS K o QAM) siguen constituyendo 35% de l total de los circuitos de transpone de información en Estados Unidos. Hay mucltos ti pos distintos de sbtcmas de mkroondas funcionllndo a disllUl' ci ... que vllli'." de t5. 4000 "'ilh.... Lo!¡ s¡~Len ... de rnicroondwi de tIc: .... ido ¡nl ......~llJfal o ..Ii. mentador se consideran en general de corto a/callct. porque se usan paro llevar información Ll disUUlCiLlS relativamente cortas. por ejemplo. c:nt~ ciudades de un mismo estado. Los sistelTUU de microondas de 10'10 a(corra: son los que se usnn para llevar información a distancias re· lativamente largas. por ejemplo. en aplicaciones de ruta inltrts/aw( y de rtd primario. Las ca· pacidades de los sistemas de rodiode mict'OOfldas van desde nlCl105 de 12 canale5 de banda de VOl hasta más de 22.001. Los primeros sistemas tenlan circuitos de banda de \'~ mulli pluados por división de frt'Cuencia. y usaban t~n icas convencionales. de modulación en frecuencia no coherentes. Los mAs modernos tienen circuitos de banda de voz modulados por codificación de pulsos y mullipluados por división de tiempo: usan tfcnicas de modulación digil:ll mb
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TABLA 17· 1
Asigoociooes de radiofrecuencias de microondas Sa--'icio
Militar 0penci6n fijl EnIK'C de u,,,..mOOr do: Hludio P
F~.(Mlb)
171G-18~
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mOOernns. romo la modll]lICión por conllluUK:ión de fase (PSK ) o por amplitud (QAM).
en c uadratura
VENTAJAS DE LAS RADIOCOMUNICACIONES POR MICROONDAS Los radios de microondns propagan sei\ales a lra\'~ de la atmósfera temstre. entre transmi sores y receptores que con frecuenci a están en la punlll de torres a distancins de 15 a 30 mi1Jll.~. Así. los sistemns de nulio de microomlns tienen la ventaj a obvia de conlllT CQII capacidad de llevar miles de ca nales indi,'idua1es de infonn.'lC ión e ntre dos pumos. s in necesidad de instal3ciooC!l fI· sicas. como cablC!l coaxiales o libras ópticas. Así. claro está, se evila la necesidad de adquirir derechos de ,fa a tra" is de propied:tdes privadas. Además, las ondas de radio se adaptan mejor paro SOIIVlIl" grundC!l extensiones de agua. montañas altas o lefTC nos muy OOscosos que CQllSlituyen form idables barreras para los sislemas de cable. EnLU las " entajas del rudio de microondas están 1lL.~ siguientes:
l . Los sistemas de rndio no nttesi tan adqu isiciones eJe derecho de \'ía e nlre estaciones. 2. Cada C!llllCión requiere la compro o alquiler de sólo una pequei\a extensión de tcm:no. J. Por sus grandes frecucrtCias de operación. los sistemas de radi o de microonda!; pueden llevar grundes cantidodes de infoml3Ción. 4. Las frecuencias altas equil'Dlcn a longillldes con as de Ortda. que requieren antenas re· lalivamente pequeñas. S. Las señales de radio se propagan con mds (acilidac.l en tomo n obstáculos flsicos, por ejemplo. a travb eJel agua o ~as montañas altas. 6. Para la amplificac ión se requieren me nos repetidonu. 7. Las distancias entre los centros de conmuUlCiÓll son menore.~,
762
capItUlo 17
Mat rnl protegido p?f derechos da ':lul')r
Los generadoo:,s de microoodas consisten en un oscilador de cristal scguido ~ una serie de multi plicadora de frecuencia. Por ejemplo. un oscilador de cristal de 125 MH7. segnido por una serie de multiplicadores. con factor combinado de multiplicación igual a 48. sc podrCa usar para una fnx:uencia de pot1lIdora de microondas de 6 GHz. La red combinadool de cllnales proporciona un medio de conectar mlis de un transmisor de microondas a una sola linea de transmi~ i6n que alimente a la Ilfltena.
Radiorreceptor de microondas de FM En el rndioilu:el'tor de microondas de FM que se ve en la fig. 17-lb. la red separadora de cllflales proporciona el aislamiento y el filtrado ~5arios parn scpar¡¡r cllflale! de microoodas indi o
vidualc:5. y dirigirlos hacia sus respectivos ru:cptores. El filtro pasaband.:Is. el meu:lador AM y el oscilador dc microond:u bajlUl las frecuencias desde las RF de microoodas hasta las FI. y las pasan al desmodulador FM. Este desmodulador es un detector convencional. no cohrrrnlr de FM (es decir. un discriminador o un desmodu lador PLL). A la salida de l detector de FM. una red de deénfasis restaura la sedal de banda base a sus características originales de ampli tud en función de la frecuencia.
RADIO REPETIDORAS DE MICROONDAS DE FM La diSlllncia adm isible en~ un transmisor de: nlicroondas de: FM Ysu !\!Cepto!" asociado depende
de mochas variables del sislCmtL por ejemplo. de la potencia de uJida del lr.In.~misor. umbr.IJ de ruido del receptor. terreno. condiciones Illmosf6icas. capacidad del sistema. objeth"OS de confiobilidad y cXpol.'tIltivas de efIciencia. Normalmente. esa distancia es de IS a 40 millas (23 1164 km). Los 'ÍliteTlUl.~ de mklOondas de IIII"gIl di~tancia salvan dislIlnCias mucho mayon:s. En consecuc:nda.. un sistema de microondas de un solo !alto. romoel de la lig. 17- 1. es inadecuado en la mayoría de las aplicaciones prácticas. En sistemas con más de 40 millas. o cuando hay ob!;i1UCeiones geográficas. como una montai'la.. en la trayectoria de transmisión. se necesitan rrfHlidortu. Una repetidora de mi croondas e.~ un receptor y un transmisor insutladO! espalda con espalda. o en Idndtm con el sistema. En la rig. 17-2 se muestra un diagrama simplificado de bloques de una repetidora de microondas. La estación repetidora ~ibe una señal. la amplifICa y la reconfoona. y a continuación la retran$mite hacia la ~iguiente repetidor.. Oestación recc:ptOn. El lugar de las repetidoras intennc:dias depende mocho de la naturtlle:t.ll dcllem:no entre ellas y el que les rodea. En la planeación preliminar de la rota se suele suponer que las mM son relativamente planas. y quc las longitudes de los tl"lllllOli (~I tos) trndrán un promedio de 2S a 35 millas. entre estaciones. En un tem:no relati vamente plano. si se aumenta la longitud del tr.I.ntO será necesario aumentar las IIltUras de las torres de amena. De igual modo entran en el proceso de 5elecciÓll la poIeneia de salida del tnmsmiwr y de la amena. La diSlaneia eXlCta sc detc:nnina principalmente por la falta de obstáculos en la Irnc:a de vi$ta y por la inteOllidad de la sellal recibida. Cuando las fru:uencia~!IOn mayore~ de 10 GHz. la plu viosidad local tambio!:n podría tener una gran infl uencia sobre la longitud de trayectoria. Sin embargo. en todos los casos se deben usar trayu:torias tan horilOfl taJes como sea posible. Además. se debe tener en cuenta la posibilidad de inteñ erencia. sea inlerna o eKtema.
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Rapatidora da mio oondas
Radiocomunicaciones por mtcroonda8 y ganancia dal aiatama
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AmpIilieadOr de potenOa doRF
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lb) FIGURA 17-3 Repetidoras de microond&s: (IIJ A; lb) b&ndu bese; (COioiUB)
Hay U'eS tipos básicos de rrpctidoras de microondas: F1 , banda base y RF (véase la fig. 17-3). Las I'q)Ctidorasdc Fl lambién se llaman htft'TrNlinas. En una repclidol1l de R (fi g. 17-3a). la port.ador.I de RF reci bida se reduce ha.~ta una R , se amplifi ca. reconfonna y se sube. una RF. par.!. rctnulSlniti rsc. continuación. Nunca se demodula la sellal a mcnos de la FI. En consecuen· cia. la repelidorn no modifica infonn:ICió n de banda base. En una repetidora de ba ndll base (fi g. 17·3b), la ponadorn recibida de RF se baja hasta una A. se ampl ifica, flllro y a con tinuación se demodula más hasta la banda base. La senal de banda base, que sucle 5eT de canales de banda de vo~ multiple:u dos por división de frecue ncia, se ~igue demodulando hasla 105 niveles
7 ••
Capitulo 17 Mat rnl protegido p?f derechos da "lul')r
La fig. 17-3<1 muestro una repetidor.. de RF 11 RE En estas repetidoras. la seila] recibida
de microondas no se baja a la F1 o u la banda base: tan sólo se IIlc'tcla (helerodina) con una fre cu.c:ncia de OSC"illldor local en un OlCzclador no lineal. La salida del 0lC7.clador se sintonil!ll a 13 ~ um ll O diferencia dc la RF que llega y la frecuencia del oscilador local. dependiendo de si se desea conversión elevador;¡ o reductora de frecuencia. A veces. ",1 oscilador local se le n",ma osdlador de desplazamiento. y su frecuencia es bastante menor que las de radio que se reciben o se lnansmiten. Por ejemplo, una RF de llegada de 6.2 GHz se me:u:b con una frecuencia de Ql;dlador local de 0.2 GHl. Yse producen las frecuencias de suma y diferencia de 6.4 GHz y 6.0 GH't. Para una conversiÓn elevadora de frecuencia . 1", salida del me:u:lador se sintoni1.l1ria a 6.4 GHt. Y pan! una eon"ersión reduetoru de frecuenda. a 6.0 GHz. En las repetidoras de RF a RF. la scil:d de melio sólo se convierte en frecuencia. para a continuación amplifiearse y retransmitirse hacia la siguiente repetidora oestación receptora. En las repetidora.~ RF a RF 00 son posibles la reconfiguración ni la reronna. DIVERSIDAD
Los sistemas de microondas usan transmisión en I(nta dt I'isra. y en eonsecucm:ia debe uistir una trayectoria directa de señal enlre las antenas de lr.msmisión y de recepción. As!, si esa trayectoria de ¡enal sufre un gran deterioro. se intcnumpi!i el sen' ido. A tr.wé$ dd ti~mpo. las pl!rdi_ das en 1I1truycctOfÍa de radio varian con las condiciones almosr~ricas. que pueden variar mucho y causar una reducción conespoodiente en la imensidad de seftal recibida, de 20. 30 o 40 dB o nlás. EsUl reducción de intensidad de seilal es temporal. y se llama dts\'a"tcimi~,,1O d~ ruJio. El des vanecimienlo puede dur.¡r desde unos milise¡: undos (cono pl:uo) o varias horJ.5 o hasta d/IIS (largo plai'.o). ~ cireuitos de control 311tOmático de ganancia. inrorporudos en los r.ldiOi leceptores. ~n compensar de!ivanecimientos de 2.5 a 40 dB. dependiendo del diseño del sinema: §in embaJxo. 105 desvanecimientos mayoll:5 de 40 d8 pueden CIIusar una pl!rt1ida 100al de la se/la] recibida. Cuando esto sucede se pierde la continuidad del servicio. Diversidad sugiere que hay más de uno ruta de transmisión. o ~todo de trnnsmisión disponible5 entre un transmiSOf y un rcceplor. En un sistema de microondas. el ob~i\'o de usar di· \'ersidad es aUllICntar la C(lllfiabi]idatl del sistema. aumentando su disponibilidad. La tabla 17-2 mUCSInI un iTlNiu ret:ui\'IllIICtlIC senc illo ])(lrll interprc:"lar dclenninooa porcentaje dc confiabilidad del sistema a t~rminos que se puedan rdal:Íonar rk ilmente COIila expcr1encia. Por ejemplo. un ¡lOI'Cenl.lljedc confiabilidad dc.99.99%COIll!'lpontlc a unos ~3 minutos de tiempo rucru de 5CfVicio al afio. micntrnli que si el porcentaje de confiabilidad es 99.9999'%, cqllivale !'Ó1o a 32 !iCgllntlos de tiempo interrumpido por año. Cuando hay más de una trayectoria o método de tronsmisi6n disponible. el sistema puede seleccionar la ruta o ~todo que produzca la mb. ima calidad en la seilal recibida. En generaL la rnhima cal idad se detemlina e\'alu:mdo la relación de pon3dora a ruido (OO. de c lJrn·t'r-lQ-nQi. u) en la entrada del rcceplor. o tan sólo midiendo la potencia de la ponador:a recibida, Aunque TABtA 17-2 Confi8biidud Y tiempo de nten'upeiOr¡ lírmpo ¡lo, il\lCfTUpc:i6n
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Capitulo 17 Mat rnl protegido p?f derechos da ':lUI')r
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hay muchas fonnas de obtener la diversidad. los Ill4!todos util izados más comu nes son de freo cuencia. espacial. polarización. hlbrido o cuádruple,
Dfversidad da frecuencia La dj"ersidad de frecuencia sólo oonsiste en modular dos RF diSlintali de portaOOn¡ con la misma infonnaciÓfl de A , y transmi tir entooces ambas señales de RF a un de.~t ¡no dado, En el destino. se demod ulan ambas portadoras y la que produzca la señal de A de mejor calidad es la que se sela:ciona, La rig. 17-4 mllC.Stra un sistema de microondas de un solo canal con dh'ersidad de frecuencia, En la fig . 17-4a, la señal de: entroda de A se 1I1imenl.ll a un divilOOl' de (xlIeneia, que la di rige a los transmisores A y B de microondas. Las salidas de RF de los dos transmisores se como binan en la red oombinadOl11 de canales y se alimenllln a In antena de tTllnsmisión. En el lado n:ceptor (fig. 17-4b). d sepandor de canales dirige las portadorn.s A y B de RF a sus receptores respeclivos de microondas, donde se bajan a FI. El cin:uito detector de calidad detenninll cu41 canal, el A o el B. es el de mejor calidad. y dirige ese canal por el conmutador de Fl paro sc:guirlodemodulando hasua la banda base. Muchas de las condiciones arntoSfmcas pdve~que degradan una sella! de RF son de frecuencia selectiva: pueden degradar más una frecuencia que O(ra, En consecuencia, dumnte determinado tiempo, el conmu tador de FI puede alterna!' muchas veces de l receptor A al B y viceversa. los 3l'T'e8\os de diversidad de fn:cucnciacon..... ituycn una redundancia de equipo, completa y sencilla. y tienen la ventaja adicional de proporcionar dos trayectorias eléctricas del transmisor al receptor. Su des"cotaja obvia es que duplica el espectro de frecuencia y el equipo I'ICClesarios.
Diversidad espacial En la divenidad espacial. la salida de un transmisor se alimenta a dos o más antenas, físicamente separadas por una cantidad apn:ciable de longitudes de onda. De igual manera, en el re· ceptor, puede haber más de una ante na que ~ionc la sellal de: entrada al n:ceptOf, Si se usan Radiocomunicaciones por microoodae y ganancia del sistema
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Diversidad de polariza ción En la di.'u sidad de polori;'ftCión. una sola portadora de RF lOe propaga con dos polarizacione5 elcctromaglttticas diferen tes, \'ertical y horizontal, Las ondas electromaglttticas de disti nlll.S polarizacioncs 11() necesa riamen te están sometidas a las mismas degmdadones de transmisión, 1II diversidad de polarización se usa en general junto ron la divenidad espacial, Un parde antenas de transmil ión '1 recepción 5e polari7.a en sentido \'enical, '1 el otro en sentido horizonl3.1. Tam. bifn es posible usaren forma simultánea la dh'ersidad de frecuencia, espacial 'J de polarización,
Diversida d hlbrida hfbrida es una rorma algo especialil.ada de diversidad. que consiste en una tra· yectoria nonnal de diversidad de rrecueocia, en la que los dos pares de IIl1l1smisor 'J receptor en un extremo de la tra'lectoria I$tán separados entre s( '1 conectados a distinw antenas, separadas
La
d;'~rsidad
venicalmente como en la divc rsidad espacial. El ~glo proporciona un efecto de divers idad es· pacial en ambas direcdones; en una porque los receplores estlÚl sep:lTlldos venicalmentc. '1 en la 01:11\ porque están separados horizontalmente. Elite amglo combina 185 ventajas operativas de la dh'ersidad de frecuencia con lu mejor prot«ción de la di\'ersidad espacial. Sin embargo. la diversidad híbrida tiene la des\'enl3.ja de requerir dos rad iofrecuendas pan! obtener un canal en (uociOlUUTliento.
DTverstdad cuédruple La d;''f!rsidaJ aládruplt es otra forma de diversKlad hibrida, e indudablenw::nte ptopJ(t'ionll la IIl1l1smisión mds confiable; sin embargo, tambi~n es la má!; COStosa. El Wlltcpm básico de dh'Cf· sidad cuádruple: ClI baslame sencillo: es una cOfllbinación de diven:idad de fTtCUCneia, espacial, de polarización y de r«epción en un solo sistema, Su desventaja obvia es que necesil3. equipo elcc· trón ico. frecuencias. antenas 'J gulas de onda redundantes.. que son cargas económkas, ARREGLOS DE CONMUTACiÓN DE PRO lECCIÓN Para eyitar una interru pción de servicio durante periodos de gran desvanecimiento o de fallas de «Iuipo, se ponen a disposición, en forma tcmpor.d. otras insudac iQfle.~ cn un IUTeglo de cmrmu· ración de proftcci6n , Lo! conceptOS gcnemles de conmutación de protección y de diversidad 501\
bastante ~idos, Ambos propon:ioDlIl1 protecciÓn contl11 rallas de equipo '1 desvanecimientos atmosféricos, La diferencia priocipal elltre ellos cs. simplemente, que los sistemas de diversidad sólo proporcionan una ruta de transmisión alternativa para un solo enlace de microondas, es de· cir. entre un tr.msmisor y un receptor. dcnlro del siSlenta general de cornunicaciones. Por otro lado, los arreglos de conmutación de protección proporcionan protección para una parte mucho mayor del sistema de comunicaciones, que en geneml comprende \'arias repetidoras que abar· can distancias de 100 millas (I60 km) o más, También, los sistemas de di"eBidad proporcionan en general 1(I(l% de protecciOO a un solo canal de rodio. mienlnLS que los arreglos de conmutación de protección se suelen companir entn: varios canales de radio, En esencia, ha'l dO!! lipos de arreglos de conmutación de protección: rrrtn'o rominuu '1 por di¡'t rsú!ml, En la protección por reserva continua, cada canal funcional de rodio tiene un canal de ~paldo dedicado, o de reserva. En la protección por diversidad, un solo canal de res· paldo eSlá a la disposición hasta para 11 canales funcionales. Los sistemas de reserva contin ua ofrecen protección de 100% pan! cada canal fu ncional de radio, Un sistema por di\'er.;idad ofrece una protección de 100% 5610 al primer elI nal fuocional que ralle. Si dos canales
Reserva continue La lig, 17-&1 muestra un ~glo de conmutación de protección por reserva continua de un solo canal. En el tnmsmisor, la A entr.1 en un pU~nI~ d~ inicio. que reparte la potencia de la señal y la dirige a los canales de microoodas activo y de reserva, en forma 5imultánea. En consecuencia, tanlO el eanal funcional como el de reserva portan la misma infonnación de banda base. En el receptor, el conmutador de A pasa la señal de FI de l canal fu ncional al equipo de tcrminal de FM, El conmutador de A vigila en rorma continua la sellal rocibi
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amplHicadores de salida del tra nsmisor. Las galW'lCias normalC5 en 13S antenas de microon· das van de ]0 a 40 d8 . Ylas poIencills nom¡a]es de salida del tnmsmiSOl' son de 0.5 a 10 W. Un gr:/It'rador dl' microondllJ proporcion~ la enuada de portadora de RF al convertidor de subida de ff'ClCUCTlCia.. Se llama ¡;encrndor de microonda.~. y nooscil!ltb-, poRIue cs diITci l coostruir un circuilOCSlablc que oscile en la 7.ona de los gignhertl. En lugar de ello se: usa un oscil1ldor con· lrollldo por cristal, que fuociona en el intervalo de 5 II 25 MUz par1l piopvrdooar una fl'CQlCociu básica que se multipliquc hasta la frttueocia RF dc.
Estaci6n repetidora La fig. 17-9 mucstnl el diagrama de bloques de una repetidom de R de mi croondas. La sellal de RF recibida entra al receptor a tn\'k de la red de separación de canales y el fi ltro pasaban. dos. El dcsmodulador de recepción conviene la ponadont de RF. baj4ndola a R . Los circuil05 AMP/AGC y el igualadordc FI ampli rlCUll y n:confonnan la sellal de fl . El igualador compenSll las no linl'alidllllr:s dI' ganallCia t'fI fWld6n de frtr:uotcia y la distorsidn P'" 'f!tordQ dt: I'n"ol·
que se introducen en el sistema. De: nuevo. el modullldofde tnlnsmisión COIIviene la IF en RF par.¡ su retr.m5misión. Sin embar¡;o. en una estación repetidora es un poco disti nto el método que se usa para gel'lCr.\/' las frecucocia~ de portador'd de microondas RF. respec!o al que se US/! en UIIII CSUlCión temUlIIIl. En la ICjXtidor.! de i'l sólo se rcquien: un generador de microondas pa11I suministr:u' la señal de ponadora de RF. tanto al modulador de transmisión como al de rcc:cpción. El ¡enerador de microondas. el oscilador de dcsplal.amienlO y el modulador de dcs.plva· miento pcrmilen que la repetidora I'tt;ba una frecuencia de portadora RF. le baje la fl'ttuencia a una FI. pan después cOlwenir la fl a una portadora RF de di sti nta frttuencia. Es posible quc la es tación e I'tt;OO las portadoras tanto de la estación A conlO I~ 8 en fO/'lTLil simullánt'a (a esto se le llama intnft:'f!ndo por salto multiplt. y se mueslr.!. en la fig . 17·10a). Esto puede suceder s6lo cuando tres estaciones están insUtlad:ls en una recta gCQgrtfica en el sistema. Pan evitar que oc urra, el ancho de banda asignado al sistema se divide 11 la miUtd, y se crea una banda de baja frecuencia y Ullll de alta frecuencia. Cada estación. una a la vel.. pasa de una ponadora de tr.ln5misión de bantb. baja a Un.:l de banda alta (fig. l7· 10b). Si se recibe en la CSIaci6n C una tl'llllSmi· , ión de la estación A. scr.Io rechaucb en la red separadora de canale'! y no eaUSll interfe",ncia. A este arreglo se le llama Sistema de repctidorns de microondas altalbajll. Las reglas son seneillas: si una estación repetidora recibe una ponadora de RF de la banda baja. "'transmile una portadon de RF en la banda alta. y viceversa. La única vez que se puede n recibir VruiM portadoras de la misma frecuencia es cuando se recibe una transmisión de una estación. en otra que este! a tres saltos de: distancia. Casi no es probable que suceda eso. Otn razón par.a usar un esquema de frecuencia ~lta/baja es evitar la potencia que "sc sale" por las panes trasera y laterales de una antena de transmisión. que puede inlerferir con la se· lial que entre I una antena reccplOl1l cercana. A esto se le llama radiad6" de plnlidil. Todas las anlenu. sin importar lo alto de su ganancia o su gnn direccionalidad de radiación. irr.tdian un pequei'to porcentaje de su poIencia por sus lados trasero y latemles. determinando una l'fidr:ncia diruriOllllI de la antena. Aunque la eficienci3 direccional de una antena tlpica de microon· das es bastanle alta. la cantidad reJali vanJoenle baja de la poIencia que se irr.Jdi3 por su pane tm· sera puede ser bastante apreciable. en eomparoción con la poIencia de: la portadoru normal recibida en el sistel11a. Si son liistintas la~ frecuencias de: transmisión y recepción. los filtros de I ~ red separadora del rcc:cplor evi tan que perjudique la radi ación de p(!rd ida. ¡·tlllt
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Capítulo 17
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I de banda baja COi ,esponde al canal II de banda alta, el canal 2 al canal 12, elCi!ICT'J. La din:c· ci6n eSle a ocsle (fi8. 17· ll b) propaga las porIadoru de banda al la y baja en el orden conlnUio al del ,islema oesle a eSle. Tambii!n eslán in\'enidas las polarizaciones. Si algo de la polencia del canal I de la terminal oeste ~ pr-opagalll en (Offila directa /lacia el receptor de la lenninal este, rcndrla dislint:l frecuencia y polllrizoción qoe las transmisiones del canal 11. En coosecuencia. no inleñerirfa con la recepeión de l canal 11; no lutbrfa inlerferencia por sallo múltiple. Tambii!n, nótese que ninguno de los canales de Il1lIlsmisión o de recep¡;ión et1 la repetidora tiene igual (re· cuencia y polari7.aci6n al mismo tiempo. En consecuencia, la inleñerencia de: los transmisores hacia los receptores, debida a la radiación de ptnIida.. es insignificanle.
CARACTERISTlCAS DE LA TRAVECIORIA Las Iruy«lOrUu de propoguci6n nonnaJes enlft'; dos anlellM de radio en un siMema de microoo· das se ven en la fig. 17- 12. La Irtly«'orin ~n ~spocio lib" es la 1rt1)~'orin th /(~ th \'uro, diTCCtamI:nle enlft'; las anlcnaS tnlIlSnUSOi1I y ,deplora (tambii!n se llama lNIdo dir«/a), La omla"· fl~jado ~n ,i~,rtl es la porción de la scñallrnl\Smitida que sc refkja en la superfICie lenolre y la caplum la antena ,ecep:OIlI. LalJllda lu~rficial consiste en los campos el6:trico y magni!lico asociados con las corrienleS ind ucidas en la superficie lCi"I"CSlft';. La magnitud de ID ondo Mlperficial depende de las cunldcristicas de la supcTficie te;¡ .estre y de la polarización ela:lroiTlllg~ica de la onda La suma de esas tres trlIyeaoria.~ tomando en cutnt:l su amplitud y SU fase. sc llama onda l~rrrSlrt. La onda rtj1t}
AGURA 17·12 Tnr,ecta"i8S de pi""Op8geciOn Radiocomunicaciones por microonda. Y ganancia del sistema
781 Mat rnl protegido p?f derechos dE>
"11
I ....r
Desvanecimiento 1k11'(Jlluimitnlo es un ténnino genernl que se aplica a la reducción rk intensidad de señ.:il en la entrada a un receptor. Este témlino se ¡¡plica a variables de propagación en la trayectoria risita de la r.ldiación. que nfectan a los cambios en la pérdida de tfn)'ec1oria entre el tr.r.nsmisoren UI¡:¡ esml;ión. y su receptor nonnal en otra estación. Los cambios de trayectoria se asocian tanto a condiciones atmosféricas, como a la geometría de la trayectoria misma, es deci r. a la posición relativa de la Wltena con respecto al suelo y a otro teneno que la rodee. La refracción atmosférica subnormal puede transformar una tr.r.yectoria de linea de vista elara en una muy obstruida. El desvanecimiento se puede presentar bajo eondiciones de dens.a.~ niebln§ rnstrer.r.s. o eUllndo el nire tJltrem:K1:unellle roo se mueve sobre un terreno cálido. El rtSult:tdo en cada c:r.so es un aumento sustnncinl en la pérd ida de trayectoria dentro de una amplia blinda de frecuencias. La magnitud y la rnpidez de este tipo de de.svtlIleCimiento lento y plano se puede reducir. en gene·
ral. usando mayores alturas de antena. Una fonua máscomlln de desvtlIleCimiento es uno re lativamente rápido y sell-c tivoen frecuencias. eausado por la in terferencia entre uno o más rayos en In atmósfera. Las trnyectorins separadas entre el trnnsmisor y el receptor se deben a irregularidades en las variaciooes de permitividad e l~trica con la alturJ.. Los m:irgcnes de transmisión que se deben proporcionar paro conlrtll"l'eStar ambos tipos de desvanecimiento son considerociollCs imponantes al dctcmlinar los parámetros generales del sislem:l y la confiabilidad del runcion:uniento. Un tipo de desvaneci miento por inteñereocia puede presentarse coo cual
GANANCIA DEL SIS lEMA En su forma rnlis I'COCillll, la gUlum(iu d,./ sistemo Clii la difen;:ncin cntn;: la polencia nominal de salida de un transmisor, y la potencia de entmda mrnima requerida por un receptOl"". La ganancia ud sistema debe IioCr mayor o igual a la suma do: todas las ganancias y pérdid:as incurtidl'S por una sedal at propagarse de un transmisor a un receptor. En eseocia. represenw la pérd ida nela de un sistema de radio. La ganancia del sistema se usa pal"J. calcular la confiabilidad de un sistema pnnr. determinados parámetros del mismo. La ecu:ación dI' la ganancia del sistema es G, "" 1', - Cm..
G, .. ganMCia del sistema (dB) 1', - poIcnci:a de salida del transmisor (d Bm) C,..¡" - poteocia mlnima de entroda al receptor ¡mm determinado objet;\·o de calidad (dOm) y donde P, - C_
~
pérdidas - ganancias
GlIIlancias: A, - ganancia de la antellll de transmisión (dO) en re lación con un rodiador isotrópÍl'Q A, - gan:mcin de la antena de re<:epción (dB ) en re lación ron un radiador isotróp ico ~rdidas:
L"
= pérdida en trayectoria ;JO!" esp:acio libre entre las lIIl tcnas (dO) L, - pérdida en alimentador de gUia de OlIda (d B) emre la red de distriboción (ID
red rombi nadora de ellllales o separadora de canales) y su antena tdpecti va (\'éase la tabla 11-3) 1..,. - pérdida tOlal por acopll1J11ientoo por I"Jmificaciórt (da ) cn loscirculadores. filtros y red de distribución. cntre la salitb de un rr.r.nsmisoro la entratla a un receptor, y su guía de ooda de :alimenl:ación respecth'a (\'éasc tabla 17·3) ,..... - margen de desvanecimie nto para detenni nado objetÍ\'o de ronfiabilidad
782
Capitu lo 17
Mar rF.l1 protegido P')r derechos de '1U ':Ir
TABLA 1 7-3
ParéI'T1l!trOS da gooancia del sistema
F'tnlidóI por nmifnciór-.., 4 (dO) ~de~
I'tnlilb por laItlifkación. Lt
"""...
F~ia
¡GHl )
1.8
J.'
nmat\o Ganancil
(dbl lOO m)
'"
Cable: (ouiallkno de aiR:
Fn:cumd.
,
'-'
Guia de onoh ellplÑ:ll EWPM
.4,0 " ,
Di>-m.idad
E.....ial
,
J.O ,., , l.'
J
' .J
'm' l.' lA
O.,
Gula ele onoh ellplica ¡;WP (h
J
2
0,. '.
Z .
2.'
4J.8
J.O J.J
4506
l.
l.
I ,•
•,,
microondH P,
,
••,, •• •••
•
I•
49.8
m_ R~
e... "
•
i
J FIGURA 1 7-13 Gonencius y
4J.1
•
~
ulnsmllOl'" di! microonda.
38.8
A,
Ampl irocadot
Oo®M
" .J
1,
1, ~POI.nclt ~
m
....,.
... A,
ll.' J1.2
l.O J.J
2.'
' .0
(dO )
pe 6das da
A 01101
-~.
di! microonda.
un Bi5tema
La descripción matemática de la ganancia del sistema es
G, - P, -
c""" ~ F", + J.,. + J.,. + J.." -
A, - A,
(17- 1)
en donde lodos 1M valores se expresan en dO o dBm. Como la ganancia del sislema es indicat i· va de una pérdi
Pérdidas en la trayectoria e n espacio libre Se define a las pérdid:J.s en la Ir.ayecloria en espacio libre (a voces Uanudas pirdidos por diSlltrsidn) como la pérdida incurrida por una onda clcclromagnf lica al propagllDC: en Irne a recta a
783
Radiocomunicaciones por microondas y ganancia dal sistema
Mar rl'11 protegido po?r
der~hos
dE' ':Il
tnI.\'b dd
v~fo.
sin c:nerglas de absorción o renelión debidas a objc:tos cercanos. La!! p&did¡u
en la truyecloria c:n e5pocio ¡ilm: dependen de In frecuenc ia. y aumenllm con la distallCia, L..a ec,:uación panl detcmlinar estas pfrdidas es la siguieme
Lp.. (4:Dy .. e;ror dond,
4 .. pfrdidns en la trayectoria en espacio libre (adimensionnl) D .. distancia (metros) f .. frecuencia (llenz) ).. = longitud de onda (metros) C' ..
Al pasar a dB
~
velocidad de la lul. e n c:I espacio libre (} X Ir! mis)
obtiene Lp(~/i! = 101 08
e ("fD)' 4TrfD
... 20 log '-"~
, 4. "" 20 log -, + 20 logl + 20108 D
(17-2)
Cuando la frecuenc ia está en MHz y la disllUlCia en km.
411'(10)( 10») I'p(dlll - 20 log 3 x 10" + 20 logjj~"" 1 + 20 log D o1• m ¡
(17. )
.. 32.4 + 20 losA",,..,, + 20 log D,~I Cuando la frecuencia está en GHz. y la distancia en km, ~'¡B )
= 92.4 + 20 JogJiOH
(17-4)
Se pucdc:n hacer conversiones parecidas pamla distancia en mill a.s. fn:cuencill en kHz. elc. Ejemplo 17· 2 CaJeul:u' las ptrtlidas en la UlI)'ectori.l en espacio li~.
p;lrll
una fm;:uendu de port:>dorn de 6 Gfl '1
50 km de dislllrlCia. Solución ~
• 32.4 + 20 log 6000 + 20 log 50 '" 32.4
~ - 92.4
... 92.4
+ 7S.6 + 34 - 142 dO + 2OIog6 + 20 log SO + 15.6 + 34 - 142 dB
Margen de desvanecimiento En ~ncia el /IUJ'8en de duwlIIccimierllo es un Mf;¡CIOl" ficticio" que se incluye en la « uación de ganancia del sistema. par.!. tener en cuenta las e&rJCtcrlsticas 00 ide31es Ymenos prrde\:ibles de la propagación de las ondas de radio, por ejemplo. la propagm:i6n por ,mí/ripies rra)"cc/orias (pirr1ida por mú/riplu /rtlycclOrUu) y la unsibilidad d"l/rrrtno. Eslali caractcrísticas son cau· sa de coodiciooes aunosf~ricas tempor.ales y anornlales que altcran las ptrdidas en la trayectoria en espacio libre y, por lo genef'~l, son perjudiciales para la eficiencia general de l sislenla. El margen de de)vanccimiemo también tiene en CUClltll los objeti,'os de confiabilidatl de UII sistema. Por lo anterior. el margen de des"anccimiento se incluye como una ptrdida ell la ec uac ión de gWllmcia del si~tcma. W. T. Oarnell. de SeU Telephone ¡...abarataries. describió en abril de 1969. fonnas de calcular el tiempo de inlerrupción debido al des"anccimiento en una Irnyccloria sin dh'crsidad, en función de l terreno. el clima. la longitud de la tTll)·«toria y el margen de desvana:imienlo. Arvids Vignant. tambi~n de BeU Lahorntories. dedujo en junio de 1970 rónllulas par.a calc::ular el mejoramiento efectivo alcanUlble mediante diversidad espacial "enical, en función de la disulnc ia de separación, longitud de trayectoria y frel.!uencia.
784
Capitulo 1 7
Mat rnl protegido p?f derechos da "lut')r
A l resolver las ecuac iones de confiabi lidad de Bametl- Vignant para determinada di sponibilidad IUIUaJ de un 5i~tema no protegido y sin diveBidad, se otMiene la siguiente ecuación
F", .. 30logD+ 10 Iog (MBj} - 10 Iog( I - R) - 70 tny«tOri.l mOllip,," $i~ndo
>e®bili4ad
objc1:iVUI
det tc=1IO
ronfWliIid.ad
di:
( 17-5)
COIUlaIlt~
F", " marg~n de desvanecimiento (dB) D .. disumcia (ki lómetros)
f .. frecuencia (gigllhenz) R .. confiabilidad en decimales (es decir, 99.99% .. 0 .9999 de confiabi lidad) 1 - R .. objetivo de oonfiabil idad para una ruta de 400 km en un sent ido A - fltCtGr de L'ipertta .. 4 sobre agua o un terreno muy liso >& l sobre terreno promedio .. B .. = ..
= Ejemplo
0.25 sobre un terreno muy áspero y montaftoso factor para convertir la probabilidad del peor de Jos meses en probabilidad anual 1 par.l convenir una disponibilidad lUIual a Ja base del peor de los meses 0.5 para áreas cálidas o hIlmedas 0 .25 para áreas continentales: promedio 0.125 para ¡\feas muy secas o monulllosas
17-3
Un si~tema de radio de microondu ron di..-enidad espacial funciona con frecuencia de portOOon RF igual a J.8 GHz.. C.ta esllttón tiene una 1IIltena parabólica de 2.4 m de di6metro, que se alimenta con 100 m de rule cOll
Solución Se sustiluye en la «tUICión 17-5. y se "e que el margen de desvanecimientn es F. .. 30 Iog4O + 10 los [(6)(4)(0.5) (1 .8)] - 10101 (1 - 0.9999) - 70
.. 48.06 + 13.34 - (- 40) - 70 .. 48.06 + 13.34 + 40 - 70 '" 31.4 dB Al 5USlÍtuir en la ecuación 17-4 se obtienen ~
la~ ~rdidas
en l. \nIyeclOfia
- 92.4 + 2010g L8 + 201og40 .. 92.4 + S. II + 32.04 • 129.SS dB
De acuerdo con la tabla 17·1. L. - 4dB(2+ Z - 4) ~ .. 10.8dB (100 m + 100 m - lOO m) 11, - 11, '" 3UdB Se ¡¡¡m ituyen los valores en la ecuaciÓII 17-1. pan obtener la ganancil del si5lema G, - ll.4 + 129.SS+ 10.8+4 - 31.2 - 31.2 - 113.35dB Este: resultado ¡ndica que para que este , ¡ji.lc:ma runcione: con conrlllbilidad de 99.99'lo, dadas 1!15 oondiciones del terreno. redes de distribuctón.1fneas de tBIIsmi ~ión y antenas. la pocencÍl de salida del Il'lInSmisor debe: 5C1". corno mfnimo. 113.35 dB may"'" que: l. pocencia de la sc:i'tal recibida.
Umbral del receptor LI relación de ponadora u fl4ido (C/N. de carriu-tu-noj.rt) es. probablemente, el par:\meuo mis imponante: que se considera al evaluar el funcionamiento de un 5istema de comunicaciOflCJ por microondas. LI JIOIe:ncia rnCnima de portadora de: banda ancha (C..> a la entrada de: un receptor que produzca una salida Iltil de banda base.c: llama umbral del rc:u: plor. o a veces ufUjbiUJmj del receptor, Este umbral del receptor depende de lu potencia del ruido de banda .ncha prc:sente: en la entrada de un receptor, c:I ruido introducido denuo del reccplor y de la sel\liibilidad de l detector de banda base al roído. Antes de podercakular se debe detenninar la potencia de roido en la entnda. Esa palencia es
e.......
N - KTB RadlocomunicacioflltS
por mi ... oondes y ganancia del sistema
785 Mat rnl protegido p?f derechos dE>
"11
I"'r
reloción de señal a ruido en la entnlda ... F= ' ·6 ". I ·d I I ' ~ _ (comorel!lC.Ón ad llTltns,onal) (17.7a) re oc. n uc sena a nl1 o en a 58 IUI.I El fndice de ruido es sólo el raclor de ruido expre:sado en dO. y es un par.1metm de uso frecuente para indicar la calidad de un rtteptor. La ecuación de definición del fI\dice de ruido es NF =
.".
O I relaci ón de señal a ruido en In eOlrada ti J og relación de señal a ruido en la salida ( B)
( 17-7b)
( 17. 7c)
NF " lO logF
En esencia, el ¡ndice de ruido indita cutinlose dcleriOI1l la relación de señal a ruido al prop.ag~ una onda desde la entrada IulsID la salida de un cireuilo. Por ejem plo. un amplificador
con ¡ndice de roido de 6 dB quiere dCi; ir que la relación de sellal a ruido e n su salida es 6 dO menor que la que era en su cntrnda. Si un circui to fuera perfecto y no agregara más ruido a la scllaJ. la relllCiÓfl de señal a mido a la salida seria igual 11 la de 11. enlrnda. Para un circuilo perrecto y si n ruido, el factor de ruido es 1 yel Indice de roido es O dB. Uo circuito electrónico amplifica las selialts y el ruido por igual. dentro de su banda "".
same. Por [o tanto. si c:I amplificador es idcal 'J sin ruido. [a sellal 'J el ruido en la entrada se amplifican igual. y la relación de sedal a ruido en la salida sc:ri igual a la de la entrada. Sin cm· bargo. en realidad los amplificadores no son ideales. Por consiguiente. el amplificador il~ga ruido generado internamente a la forma de: onda. y reduce la relación general de sellal !! ruido. EI l"\lido más predominante C$ el ruido t~rmico. que se genenl en todos los componentes elktri· coso Por consiguiente. todas las redes. amplificadora y sistemas agregan l"\Iido a la sellal y asl reducen la re lación general de sellal a ruido a medida que la sel\al pas.a por ellos. Cuando se coocclan en cascada dos o más ampl ificaOOrcs. como se ve en la fig. 17-14. el factorlOlal de ruido es la acu mulación &:; los factOf"CS individuales. Paro calcular el fllCtorde l"\Iido 100al de varios amplificad0re5 se usa lafdnnu/a de Friiss. que es la siguieme
F ". F + T
dood,
l
F - I 1
A.
+
F - I J
A .Al
F - I
+ 7"';-;C
A.Ay1.3
( 11·8)
- factor tOlal de ruido para 11 amplirltadorcs en cascada - fllClor de ruido. amplificado!" l = factor de l"\Iido. amplificador 2 = factor de ruido. amplificador 3 F~ - fllCtor de l"\IidQ. amplificador n A. - ganancia de potencia. amplificador 1 Al - ganancia de potencia. amplificador 2 AJ - ganancia de potencia. amplificador 3 FT Fl Fl F)
NÓlcse que par.¡ usar la fórmula de Friiss. se deben convertir los Indices de: ruido a factores de ruido. El ¡»dice tOlal de ru ido es
NFn.
(17-9)
Se puede \"erque c:I faclor de ruido del primer amplificador (F.) contribuye más al índice gcncl1l1 de ruido. Ell"\lido que se introduce en la primero etapa se amplifica en cllda uno de los amplificadol1:$ si guientes. En consecuencia. culllMlo
E",,1'da - -
!le
.."
compara con c:I ruido introducido en la
StoliM
AGURA 17·14 hlice total de n.rido Radiocomunicaciones por microondas y QIInancia del BiBt8ma
787 Mat rI'll protegido por dcrf'r.hos de>
'll
FIGURA 17-15 Indica de ruido en h.wriOri de 18 temperOtur9
primera etapa, el que se agrega ron cada amplificador siguiente se reduce en un fllCtor igual al producto de las ganancias de po¡encia de los amplificadores anteriores. Cuando son necesarios cálculos precisos (de 0.1 dB o menos) de ruido. en general es m4s cómodo expresar e! ¡ndice de ruido en función de la lempernlura de ruido, o la temperatura equivalen te de ru ido, y no en potencia absoluta. Como la potencia de l ruido (N) es proporcional a la tempenuura. el ruido ~Ie en la enlr.lda a un disposith'O se puede eJlprnar en función de la temperatura ambi('nte del dispositivo ( D y de 5U IClIlpcrnlllrn equivalente de ruido ( T r ) . El faetorde ruido se puede convertir en un tfrmino que sólo depende de la lempmllura, del siguiente modo (vl!lISC la lig. 17- 1S).
s." N,¡ - palencia de ruido aportada por un solo amplificador. rderida a su enlrada
Entonces
( 17-10)
donde T. es la tcmpcl'lltur1I equivalente de ruido. ScIUl
N" - potencia 1000al de ruido e n la salido de un amplificac.lof (watlS) N, .; pocencia lotal de ruido en la entrada del amplificador (wans ) A. .. ganancia de pou:ncia del amplificador (adimcnsional ) Entonces, N~ se puede: expresar e n la siguientc rorma
,
N" - AXrB
Al simpl ificu se obI icllC
N,,- AKH(T+T.J
+ AKT.B
y el fac10r gcneral de ruido ( Fr ) es igual a
FT '" (SIN)"" '" SI N, = ~ '"' AKB (T + T, ) (SIN).,.¡ ASIN" AN, AKTB FT '"
T + T, T
= 1
(17- 11)
+~
Ejemplo 17-5 Sean NF, - NFl - NFJ ... 1 da y A , - Al - Al - 10 db en la figura 17· 14. Enoonlrnrel ¡ndice de ruido 10lII1. Solución Al 5ujlituir en la ecuación 17·8 se obtiene: (nótese que 100u las ganancillll e índices de ruidQ estin dados en valoJes aloolutos)
Fr '" F" + Fr '"' 2
+
F¡- I
"1 2- 1 10
+
+
F, - I
","~
2- 1 10
- 2. 11
NF r '"' 1010g2-lI - 3.24dB
7 ••
Cepftulo 17 Mat~rI'll
protegido por derechos de 'lL.: r
17. 2. Calcule la pbdida en la tr.l)'ectoria par2 una sellal de 3.4 GHZIIUC: se: pmP;!gllC 20.000 m. I7. J. Detamine el margen de desvanecimiento para un salto tic microondas de 60 km. La RF de portadora es 6 GHz. el terreno es muy liso y sc:co. y el objc:tivo de confiabi lidad es 99.95',1,. 174. Calcule la palencia de ruido ~ un alltho de banda de 20 Mllz en la entnIWI dellttcplo... con unatempcr.ltura de ruido en la entrada de 290" C. 17-5. Calcule la potencia mfnima de transm isión. P,. para una ganancia de !i~tell1D de 120 dU. una CIN mlnima en la entroda de 30 dB Yuna palencia de ru ido de - liS dBm en 111 enlt'llda 17-6. Clilcule la cantidad de pbdida atribuida a un objetim de confiabilidDd de 99.911%. 17.7. Determine la prntida por ICnsi bilidad al terreno pata una portadora de 4 GHz que se: propaga ~ un ma momaJlo!¡a muy 5«1. 17-8. Un sistema de mic roondas con divmiidad de frecuencia funciona con una RF de port3don. igua la 7.4 GHz. La FI es una subpc:wtadora de rm:uencia modulada y b.:Ijo {ndicc:. La 5Cftal de band.a base es el siste ma FDM de 1800 canales, desc:riloen el capftulo 16: de S64 kM z a 8284 kHz. Lo antenas son platO$ parabólicos de 4.8 m de d idmetro. Las longitudes de alimen tador son 150 m en una eMación, y 50 m en la QlJJ.. El objetivo de confUlbilidad es 99.999'\. El sistem;¡ !le pDpa.gII sobre un terreno promedio, con clima muy sc:co. La distancia entre las estaciones es 50 km. La ~Iación mrni lflll de ponador.lll ruidoen la entnlda de lrtteptOf es 30 dO. Calcule lo ¡ i¡¡uiente: margen de desvaneci miento, gananci a de antena. p!rdidal en la Ir.l.yectorla en espac io libre. pérdidas 100ales por ramificación y en alimentadores. potencia de ruido en ID emrado! del rcccp(or (e_J. potencia mlnima de tr.u\smisiÓfl y ¡¡anancia del ,istema. 17.9. lkIennine el /ndice general de ",ido ¡lQtlI un . t« ¡A()I' que tiene dtK amplifiCadores de RF. eatIa unoeon Indicede ruido de 6d8 y 10 d8 de ganancia, un COD\'enidor melCl~de bajada COI! Inditt de ",ido de IOdO Y una ¡¡anancia de ron" cni6n de - 6 d8. Y ganancia de R de 4{) dB con (nd ice: de ruido de 6 d8 . 17.10. Un m:cplOf de microondas lienc UM poteocia 100al de ruido ~n la ~nlr.ada de - 102 d8 m, Y un Indicc: gc ...... ru1 de ",ido de" dO. Para te...... r una n:llM.:ión mlnima de CIN de 20 dO a la en,",· da del detCClo..de FM. akule la potencia mfnlma de portadora en la entr1ld.a del rcttpto... 17.11. Calcule la potencia de ruido en la entrada de un receptor. con las siguienICll lemptl'D.tu...., y ancho!; de banda: T ("e)
"'"
O
""'"
20
"'"
17-12. Calcule las pérdidns en la tr.r.yector1a
B (klld
'" par2
{ (Mili)
"" "'" """ ,,
1m; siguien'e5 frecuenelas y diSWlCias: f) (km) O~
,O., "" "
17. 13. Calcule: el maJBcn de desvanecimiento para un sallo de microondas de JO km. La rreeuenci. RF es 4 GHl. e1 'crreilO es Bgua. y el objetivo de eonlíllbilidad e5 99.9'}j'.l>. 17· 14. Delenninc la potencia de lUido patlI un ilIlCho de banda de 40 MHz en la entrada de un rcttplo.., cuya tcmper.r.tul1!l de ~ntnlda es T - 400" C. 17- 15. Para una ganancia de ,uICm;¡ de 114 d8 . CIN mfnima de enll1lda - 34 dB YpoiCncia de lUido en la cnt r.sda de - 111 dBm. calcule la potenela mfnima de IllUlsmi5i6n (P,). 17-16. Calcule la cantidad de pérdida quc eonIriOO )'C a un objet;'.., de confiabilidad tic 99.9995 '1>. 17-17. Calcule la p6lIida por sensibilidad allerrcno, para UIUi ponlldoni de 8 Glizlluc se propaga por un terreno muy liso y seco.
RadlocomunicacionltS por microondaa y ganancia del sistema
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Mat rl'3.l protegido p?f derechos dE> '1\ I"r
17-18. Un sistema de microondu con divenidad de frealCTlCia funciona con una RF - 7.4 GH7. La R el una subportadon de bajo Indicc. con fm:ucneia modul~. La sebl de banda base ~ un sistema DFM de un solo ¡ruJIO ~11l). Las anlenali !lOO plal~ parabólicos de 24 m de dilrnclll). Las Iongiluda de alimentador 500 120 m en una estación. 'ISO m en la Olra. El (lb.. jelh'o delX)f1fiabi lidad es99.995%. EI 5iMelTlD 5e propaga ~ un tem:no promedio. que liene d ima mu'lllCCO. La di!t.ancia entre estaciones es 40 km. 1..11 reloción mfnima de punadora a ruido en l. entl'lll1ll delllAjAor el 28 dB . C.1cll1c lo ~i8I1ienle; rn.'lrgen de de!;' ·ane('imienm. ganancia de amena. p¡!Jdidas en 1' lrII),cctoria en espacio libre. p¡!rdidas loulcs en ramirlC. · dOliC! y aJ imentlldores. poIenci. de ennda aJ rc«jAor (C-.). potencia mínima de transmi· sión '1 pnancia del ~i5lelml. 17·19. Calcule el Indice generol de ru ido p;u;I un receplor que tiene d
'a
17.20. Un reccplor de mieroond:ls tiene potencia de ruido toul en entrada igual . - lOS dBm. e liKlicc gC1lCI'1I1 de ruido de 5 <.lB . Pan tener una relliCión ON m¡"ima de 18 lIB en la e ntrada del detector de: FM. e.kuk la poIencia mlnim3 de: portadora recibida.
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Capitulo 17
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A panir de los proyectos $yncom. varias naciones y c:mprc$aS privadas han lanzado con ~l¡to satélites que hoy se usan panI popon:ionar comunicaciones gJobales nacionales. regionales e internacionales. Hoy. hay ,'arios cientos de sistemas satclirales de comunicaciones que funcionan casi en cualquier rincón del mundo. Estas empresas proporcionan cin:uitos mundiales. telefónicos y dedatos, de portadora colnlln fija. emisión de televisión de puma a punto. distribución de red de Ielevisi6n. emisión de mllsica, serviciodc teléfono móvil. servicio de navegación y Tedes privadas de comunicaciones para grandes corporaciones, agencias gubernamentales y aplicacioJles militares. El primer sat~lile comercial de telecomunicac iones fue Imebar l (apodadopájoromadrugudQr ). Fue lanudo de CaOO Kennedy en 19M. y usó dos transpon~ y un IUK"ho de banda de 2S MH~ para conducir en forma simultánea una scl\:d de televisión y 480 canales de voz:. Intclsat quicnl decir OJBllIIi1.aciÓn J/IIemacional de r .. /ec;omunicaciones So:ltelitales. Es una red romercial global que se mllnifestó en 1964. desde el inleriOl'"de las Naciones Unidas, Es un con· sorci o de más de 120 naciones, que tiene el compromiso de proporcionarC
lEYES DE KEPLER Un sal!!lite PC:¡¡llaoece en 6riJita porque las fuerzas centrifugas causadas por su nxación en tomo a la Tteml 5e o:¡uilibnm con la atnlCCión gruvilllCional de 6ta. A principios del siglo XV II. al investisar las leyes del movimiento plllJletario (es decir, el movimiento de los planetas y sus cuerpos asociados Ilnmados lunas). Johannes Kepler ( 1571- 1630), asuónomo alemán. descubrió Ia.~ leyes que gobiernan el movimienlo de 11» satt!litcs. Las leyes del movimiento planetario describen la forma de la ótbila. 1115 veloddacles del plllJleta Yla distancia de un planeta con respecto al Sol. Las I~~sdt Ktpltr se pueden enunciaren forma sencilla ",mo sigue: 1) los pliUICW de5criben elipses con el Sol en uno de los foros. 2) la línea que une al Sol con un planeta barre Ilreas igualesen interV1Ilos iguale<; de tiempo. y 3) el cuadmdo del tiempo de re\'olución de un planeta. dividido entre el \;ubo de 'u dis\.aneia pf1)n~jo al Sol eo. un ntlm"ro igual p""" 10<10<; to.. ptanc:W1. LQ l"y"" de Keplcr!le poedc:n aplicar I dos cuupos cualesquiera en el espacio que intet'3CCionen por gravitación, El Tn:I)'Of de los dos CIIe"PO"!Ie lIamaprilfl(1rio, y el menorCi el s«und(Jrio. o j(Jtllilt!. La primera ley de Kepler establece que un satt!lite descri be una 6riJita al~dor de un cuerpo primario (wmo la lierra) liguicmdo una trayectoria elfptica. Una elipse tiene dos/oros. romo se ve en la fig, 18- la: FI y F2 • Yel centro de masa. llamado baricc:ntro. de un sistema de dos cuerpos siempre está en uoo de los focos. Como la masa de la liern. es mucho mayor que la del satt!lite, el centro de masa siempre roiocide con el centro de la ÍlctTI. Las propiedades geométricllS de la elipse se suelen referir a uno de los foros. que lógicamente se selecciona romo el que está en el centro de la Ílena.. Comunicaciones satelitales
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Semieje 1TIlI)'Of
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FIGURA 1 8-1 (e) F~·: "s F1 YF::t: seh1'¡eje l'1'l8VO" a Ysemieje menor b de une elipsa: (b) segunda ley de KepIer
Para el semieje may~ (a) 'J el semieje menor (¡;) de la lig. 18· 1a, la uctnlriddod de la
elipse se define corno sigue (18-1)
a
siendo f. la excentricidad. La segunda ley de Kepler. enunciada en 1609000 la primera. se conoce corno la le)'de /as árrlU. y establece que pata intervalos iguales de tiempo. un satélite barre áreas iguales en el plano de su órbit.a, eoo roco en el baricenuo. Como se ve en la lig. IS- lb. pata un salo!lile que recorre las distancias DI y D: metros en I segundo. las áreas Al Y Al son igualt5. Debido a la ley de :in:as iguales. la distancia DI debe ser mayor que: Dl y. en coosccuencia. la "elocidad VI debe ser mayor que la velocidad Vl _ La velocidad es múima en el punto de m.txima aproximación a la Tierra (llamado perigeo), y la velocidad es minima en el punlo más alejado de la TIerra (llamado apogeo). La tercera ley de Kepler. publieada en 16 19. se llama aveces la ley amWnica. Establece que: el cuadrado del periodo (el tiempo en rtCOiIC I la órbiUl) es propon;-ional al eubo de la dililMeia promedio en~ el primario y el SIIto!li¡e. EsUl distluK-ia ,,"omooio es igual al semieje mayor. por 10 anterior, se puede enunciar matemáticamente la teree.a ley de Kepler como sigue: a " Ap'Vl
(18-2)
A _ constante (kilómetros)
a '" semieje mayor (kilómetros) P .. deas !IOllU"rs medios en la lierra
798
Capitulo 18
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y P es la relación del tiempo de un dra sideral (1, .. 23 horas Y56 minutos) entre: el tiempo de: una revolución de: la TIerra en tomo a su eje (1, - 24 horas) Poc lo anterior.
I p =:.J.
'.1436 minutos 1440 minutos
.. 0.9972 Al rearrc:gJ.ar la ecuación 1IJ.2 y des pejar la eonstante A en el ca'lO de: la lic:mJ. se obIienc A .. 42241.0919 Las ecuaciones 18-1 y Ig·2 se: aplican al caso ideal. cuando un satl!:lite gira en tomo a un cuero po perfectamente esro!rico. sin fllenas exteriores. En realidad. el agrandamiento ecuatorial de la TIerra y las fuc:nas perturbador.ls utemas producen desviaciones del movimiento ideal del sao téli te. Sin embargo. y po.- fortuna. se pueden calcular y compcnsar la!; desviaciOf"lelli principaJu. Los satl!:lites con Ófbila cercana a la liern quedan afectados por la resistencia atmosf&1ca y por el campo magnl!:tico terrestre:. Sin embargo. para lO! satl!:litc:s mú alejados. las priocipales fuer· zas pertumadotu son los eampos gravilacionales del Sol Y de la Luna.
ÓRBITAS DE SArtUTES La rna)'oóa de los iIItl!:litc5 que se han mcocionaOO hasta ahora. son orbi/af~s, que $On w(nclVIl0l. L..os wl!:lites asíncronos giran en tomo a [a T!eITII en Milas elfplicas o circulares. como se ,-e en las figs, ]g.2a y b. En una Mita cirrular, la '-elocidad de rotación es cooSlallte: sin embargo. en Miw elfpticas la velocidad depende de la altura del sat~ ljlC sobre la TIefTJ.. E.
está CCKa de la Tierra que: cuando está más lejos, Si el satélite describe: su órbita en la misma direcc ión que la de rotación de la TIelT1l (en el sentidodc: las manecillas del reloj) y su velocidad angular es rnayorque la de la Tierra (w, > w,). la órbita se llama prógrada o poslgrada. Si su órbita tiene direcciÓn contraria a la de roIaciÓn de la TIan, o la misma dirección. pero oon una velocidad angu lar menor que [a de la TIelTll (w, < w~). la Órbita del sat~ li te es nlrdgrado. La mayoría de [os sall!:lites asíncronos gira en tomo. la lierra con órbitas prósradas. Por consiguiente. su po5ición cambia en ronna continua con respeclo a un punlo rijo de la Tierra. Por 10 mismo. los satl!:liles ufncrOllos se deben usar cuando están disponibles. lo cual pueOe ser sólo de IS minutO! porórbita. Otra desventaja dees· lOS sat~l ites es la necesidad de equipol-omplicado y COStoso de r&Streoen westaciones \elieslres. para poder locaJiur a] satélite cuando se avisla en cada M ita. y entonces enganchar la antena al satl!:lite y seguirlo a medida que VD pasando. Sin embar¡o. una gran "entaja de los sat.!:1ites oro bitalc5c:s que no se requieren a bordocohc:lesde propubi6n para mantenerlo! en sus órbitu res' pectivas.
do el
5at~ l ite
Categorfas de elevaci6n de satélites En general. los satl!:lites se clasifican por tener ya sea un a drbilU ItrnSln baja (LEO. por low EArth orb;I). 6cbit:t telT'CSlO:: intcrmt:dia (MEO. po.- mt'd¡unr EArth orbir) o una órbita !ci les· In: gcosfncrona (GEO. poT 8~oS)'nchronou8 &mh Of·bll). La Inayoóa de 101 ..lt t; leJ LEO trabaja en el intervalo de frttuencias de 1.0 a 2.S GHz. ¡ridium. el sistema telefónico sale·
lilal de Motorola, es un sistema LEO que usa una constelación de 66 satl!lites que OTbitllll a unas 480 millas sobre la superficie terrestre. La principal venlaja de estos satl!:lites es que la pfrdida de lrayectoria entre: las estaciones terrestres y los vehículos e:!ipaciales es mucho menor que paru satélites que giran en órbilaS de altura intermedia o grande:. La menor pfrdida de trayectoria equivale a menores potencias de transmisión. menores antenas y menor
"'~.
Los sall!:lites MEO trabajan en lit banda de frecueocias de 1.2 a 1.66 GHz. y giran en· tre 6000 y 12.000 millas sobre la TIelTll. EJ sistema satelital NAV.rrAR, del Departamento de
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Comunicaciones aatelitalea Mat~rt'll
protegido por der~hos dE' 'll
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FIGURA,8-4
Cases de 0Iüta& de sotéIU
....., N"" ••
"",.do_ ..."" • •• • - - - - - 'ecuatorial
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s., (., FIGURA '8-5
(e)
(b)
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ascendente
Angula de ioc:IirnIción: lb) roodo 85cendeilte. nodo descencIeIu Y ~nee de 105 oOOos La TiclTII no es una C!l rcrn perfecta. pon;¡ue se cn s.mc ha en el ecuador. De hecho. sc crda
en fonna err6nca. ha!i~ principios del siglo XIX. que el Volcán Chimbornzo. de 6J 10 msnm. ero e l punto mM alto de l plwteta. Sin embargo. a causa del agrandamie nto ecuatorial. sucede que el Chimbonlzo e5 el punto nW alcjlWlo del tentro de la TIern. Un erecto importante del cnSllncha· miento ecuatorial es que causa que las órbitas elfpc icas giren de tal manera que el apogeo y el perigeo giren en lomo a lll lierra. A este renómeoo se le llama roloádn de /0 1f11e(l ¡Ir los d¡uUlt!S; si" embat¡o, 5i el IÚIgLllo de inclinación es 63.4°, la l'OIa¡;jÓfl es cero. El1Ioocc:.~ los smilites que
I BOO
C&pftulo 18
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2. Los sat~lites gcosfncronos están a gnm altunll e introducen retardos de propagación mucho mayores. El Tt1ardo de propagación de ida y vuelta entre do!! estaciones tCll estres. pasando por un sat~lite geosfncrono, es de 500 a 600 ms. J. Los sat~lites geoslncronos requieren mayoteS potencias de transmisión y receploteS más sensibles. por las mayores diSUU"lcias y mayores ptrdidas en la tnllYectoria. 4. Se requieren anillcios espaciales de gran precisión pan! poner en órbita un sat~lite gcosfncrono, y para mantenerlo en ella. También. se: requieren rn()(0re5 de propulsión a bordo de l s:lIélite. par.! mantenerlo en su órbita respc:ctiu.
ANGUI OS VISUAl ES DE UNA ANTENA Para OpIimiwrel runcionamiento de un sistema de comunicaciones por sat~lite, la dirección de ganancip mli.xima de una antena de C!itación tcnestre (que: a veces se: llama la miro) se: debe apun· tM directamente: al sat~lite. Para asegurar que: esté alineada la antena de la c:stacióo t~, se: deben detenninar dos ángulos: el aWn~I, y la t/el'OCiÓII . El Mgulo de azimut y el de elevación se: llaman, en conjunto, dngulOldt visrwl de la antena Con los sat~litc:s geosfncronos. IOlI :logulos de visual de las antenas tcrresU"C:S 5Ólo se: deben aju5tM una vez, porque el sat~litc permanece siempre: en determinada posición, salvo pc:Qucllas variaciones ocasionales. La ubicación de un satélite se: suele especificar en términos de latitud y longitud. en forma ~ida a como se: ubica un punto sobre: la Tierra; 5in embargo. como un ut~ lite es"- en Mira a muchas millas sobre la supc:rfieie terrestre. no tiene latitud ni longitud. En consecuencia. su lu· gM se: identifica con un pu mo en la superficie lerrestre directamente abajo dd satélite. Es"': puno 10 se: llama punlo subsaldila/ (SS P, de s~bm'tllilt ptJinl), y para los 5.3télitc:s geosfncronos el SSP debe caer en el ccundor. Estos puntos subsatelilldes, y las ubicaciones de las estaciones terrestres se espcciliCWl con coordenadas IlOm\II.les de latitud y longitud. La convención fIOfTllal especifICa los ingulos de longitud entre O" y 180" al este: o al oeste del meridiano de Gttenwich. Las latitu()es del Hemis rerio Nonc son ángulos de O" a 90" N. Y las del Hemisrerio Sur son de O~ a 90~ S. Como los satélites gcosrncronos están directamente: II.ll"iba del ecuador, todos tienen latitud OO. Por consiguiente, las ubieacioocs de: los satélites gc:osrnClo."IOS se suden especificar en grodos de longitud al este o al oeste del meridiano de: Greenwich. por ejemplo, 122- Oeste o 78~ E. La fig. 18-9 muestro la posidón de un yehrculo 5.3telitaJ gC05{ncronO hipotético (GSV, de gtosyncnronoll.S Jl1ltlUlt I~nic/e. su respectivo punto 'ubsatelital (SSP) y una estación tenntre (ES) arbitraria. Iodos ellos con relación al gcoccnlrO. El SSPdel satélite de: la fig. 18-9 es JO- E de longitud y O· de latitud. La estac ión terrestre tiene una ubicllCión de 3O~ O de longi tud y 20" N de latitud. Angulo de elevación El ángulo dt e/tmci6n es el ángulo Yertical que se rorma enlre la dirección de movi miento de una onda elcetromagnética irradiada por una an tena de estación te:rrestre que apunta directamente hacia un sat~lite. y el plano horizonta l. Mientrus menor es el ángu lo de elevación, la di5tlllCia que debe recorrer una onda propagada a tra,'és de la atmós renll terrestre es mayor. Como en el ClISO de cualquier onda propagada por la atmósrera terrestre, surre absorción, y tambi ~ n se pllede contaminar mucho con ruido. En consecuencia, si el tingulo de elevación es muy peq uel\o y la distancia que la onda viaja por la atmÓSrel1lterrestre es demasiado gronde, la onda se puede deteriorar hasta d grado de ya no propon::ion~r una calidad ac:<:plable de transmisión. En general. se: considera que S· es el ángu lo de elevación mfnimo aceptable. La fig. 8· 10 muestrot la manera en que el ' ngu[o de devación afecta la intensidad de sei'la! de una onda clcelromagnética propagada. debido a [a absorción atmosférica normal, la cual es ca usada por la niebla espesa y lo lluvia intensa. Se puede ver que: la banda de 14/12 GHz de la lig. 18-IOb se afecta más que la banda de 614 GHz de la fig . l 8- l0a, debido a las menores longitudes de onda asociadas eon las mayores frecuencias. También se: ve en la figunll que en ángulos de elevación mc:nore:s que S· , la cantidad de potencia de seIIal perdida aumcnta mucho. La fig. 18-1la ¡lu5lm el ángulo de devación de una anlena de estación terrestre con respecto a un plano horiWl1ta!.
Comunicaciones setelitales
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'o, FIGURA 18-11
"Ángulo. da visiOnO: azimut y Angula de ellMlÓóll
Angulo de azimut El (lzimlll es la dislancia angular horizontuJ a una dirección de referencia. que puede ser el punto sur o el norte del hori7.onle. El dnglllo d~ (lz}mlll se define como el ~ngulo hori7.onlal de apuntamie nlO de una antena de estación terrestre. Para fines de navegació n, el ángulo de azimut se suele medir en grados a parti r del norte verdadero, en el semido de 111$ manecillas del reloj. Sin eml:targo, JXIflIlas estaciOOC$ tcrrestre!i del Hemisferio Nonc con sat~liles en Ól'bita'l gcosfncromuo h. n:fcn:ncll en general del '"llulo de azimul es la din:cción del sur verdadero (e~ decir, 180"). Lo fig. I S- ll b mLle!i11"1l el '"gulo de azi mut referido a la din:cción nOI1e (0") y a la direc ción sur ( 180"), Y la fig . 18- l le muestro los ángulos de elevnc i6n y de azimut de una antena de eMOCión terrestre que apunta a un sal~lite. Los ángulos de elevación y de ~inlUl dependen de la lalilud y la lo ngilud de la C5lación terrestre, y del !atflile en órbita. Para un satflitc gcoslncrono en un o órbita ecuatorial, el procedimiento pata detenninar los 4ngLlIos de elevación y de azimut es el siguiente: en un buen mapa , detenninar la longitud y la latitud de la estación terrestre. Con la tabla 18· 1 detenninar la longilLld del ¡ atflite de inter6i. Calcular la diferencia. en grados (AL). entre la longitud del 5IItflite y la de Ja C5lUCiÓl! terresln:. A \.'OI1ti nuar;ión. con II fig. 18- 12, determinar el ángulo de
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Comunicaciones satelitaln Mal rF11 protegido po?r
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FIGURA 18-15 Sep!lftlOOn espacie! de o"u,j'es en Orbita geoa!oaUIII
doroLa posición en el intervalo depende de la banda de frc:cucnciu de comunicacion~ que se use. Los SlIt~l ites que trabajan la misma o casi la misma frecuencia deben Icn.c:r una separación sufic iente en el espacio pan!. evitar interferi r entre si (Ye' la fig . 18- ll). Hay un limite rea lista de la cantidad de IIoIIlflitcs que ptw!cn t's,aciOnlJfft' en dctcnninllda área del espacio. La separacidn upodal requerida depende de: las siguientes variables:
1. Anchos de banda Y lóbulos laterales de radiac:ión de las antenas, lIlnlO de la estación 1~1re como del SIIlflile. 2. Frecuencia de portadora de RF. J. Tknica de rodificlICiÓll q ue se use. 4. Lfmilcs aceptables de interferencia. 5. Potencia de la portadora de transmisión.
En geneml, se requiere una separaciÓll espacial de 3° a 6°, que depende de estas variables. Las frecuencias de ponadora más comUI!e5 que se usan en comunicaciones ... Ia satflite son Las \:xmdal; de 61'4 ydc [4112 G Hz. El primer númau es la rrecuencia de enlace de subid:l (eSlIlCión terrestre a tmIlspondedor). y el segundo es la rm:uencia de enlace de bajada (transpondcdor a estación terrestre). Se usan fm:uenci as distintas de enlace de subido y de bajada para evitar que lIa)'1 radiación de pérdida (capitulo 17). Mientras mayor sea la frecuencia de la ponadona, e l diámetro necesario de la antena es menor. para una ganancia dada. La mayorfa de los sat~lites dO~5ticos usa la banda de 614 GHl. Desafonunadamcnte, esta banda tambi~n se usa mucho en sistema.s terrestres de microondas. Se debe tener cuidado al disei'iar una red satelital. para evitar interferencias con 0I.r05 enlaces existentes de microondas. Algunas posiciones de órbita geosfncrona lienen mayor demanda que ouas. Por ejemplo. la posición atlántica medill. que se usa para intcll:onecw NonClllnérica con Eurupa. C$ de dcmanda accpcionalmcnte alta: la pacifica media tambi~n es otm de gran demanda. Las rrecuc:ncill5 aslgnadps por la Conrc:n:nchl Mundial Administrutlva de Radio (WA RC. de Worfd Adminisr,"ri\'e Radio Confertnct) se resumen en la riS. 18· 16. La tabla 18·2 muestra los anchos de banda disponibles para varios servicios en E5tados Unidos. Entre estos servicios están punto fijo (entre estaciones terTeWl:s en puntOS gcogrificos fi~). emisión (eobenura de áreas amplias). "w\'j/ (tierra a vclúculos en aire. mar o liem) c inl,rsa/~filtJl (enlaces cruzados entre sattlltes), Comunicaciones satelitales
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ba¡ooa
Modelo de enlaea de bajada Un receplOf e n la es.aciÓn terres.re comprende un BPF de enlrada. un LNA )' un con"c nidor descc ndcnle de RF a FI. La fig . IR·2 1 muestra un di ngrn rna dc bloques dc un reCeptOr ¡[pico de estación temMre. Tambi6n aqur. el BI'F limi.a la potencia de entrada de ruido al LNA. &te es un disposi th'o de gron sensibilidad '1 bajo ruido. C01ll0 un amplificador de diodo túnel o lin ampli ficador paramé trico. El conl'e nidor desce ndente de RF a FI es una combinación de mezclador)' filiro pasabandas, que conl'iene la sellal de RF recibida a lina frecuencia FI.
Enlaces cruzados A \'ecCli se prescma una aplicaciÓn cn donde es necCSllrio co municllrst' entre sat~ l ile.s, F..!ito se hoce con {mlacel l/IIe/illllt!! c nlaldor o en/l/ces illlt!r5lltelilCller (ISL de interSlllellile Ii/":s). ronlO se ve en la fig . 18-22. Una des"en.aja de lisar un 1St es que .anlo el transmisor como c:1 receptor e$l," acQ/tuJ{}$ pur e!paciQ. En COIlsccucnda, taiUo 1:1 poIcncia de ulida dellrans misor como la sensi bilidad de enlrada del rcceplor son IimitJldas.
816
capItUlo 1B
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(e) Determinar CIN $i el roido se mide en un punlO !1I1te5 del filtro pasIIbandas. donde el uncho de banda e5 igual al triple delanc:oo de banda de Nyquist. Soluci6n (a) La manip!.Llación 8-PS K tiene!.L1UI eficiencia de anc:ho de blinda de 3 bp!llHz y. en ronsccucnciL requ;cre un ancho mfnimo de banda de la tercera parte. es decir. 30 MHz.. Según la fig. 18-24. la CIN mfnima e5 18.S dR. Al sustituir en la CC\ItoCión 18-S se obtiene
~-18..s dR '"
IO IogJO M HZ No 90Mbps - 18.SdB ... ( -4.8 dB ) . 13.1 dB (b) La ec:uación 18-IS se rearregla, y se su~lhuye este valor de F.,/NOo para obIener
e
Ñ-
6OM:Hz
13.1dB - IOlog90 ~fbps
- 13.7 dB - ( - I.TI dB ) - IS.47d B (el Tambic!n, rellrregl1lndo la eeuatiÓII 18- 1S y sustituyendo E,/NOo se obtiene
e 90 MHz N - I3.1dB - 101og90 Mbps - 13.1dB - O(dB) - 13.7dB
Es eviden~. de acuenlo con los ejemplos 18-6 y 18-1. que las relaciones E'¡No Y CIN sólo $On iguales cuando el ancho de banda de ruido es igual a la írecuencia de bits. Tambic!n, a medido que aumenta elllrICOO de banda en el punto de medic ión, C/N dism inuye. Cuando son distintos el esquema de modulación, la rrecuencia de bits. el ancho de banda Y la reloción C/N de dos sistemas digitale5 de radio. con rrecuencia es dincil detcmlinar cu.il.l de ellos tiene la menor probabilidad de error. La rel ación E'¡Nocs independicntc del ancho de ban· da y del esquema de modulac ión, por lo que es un denominador CQfTI Lln adecuado para comparar la probabilidad de errores en dos sislemas digitales de radio.
Relación de ganancia a temperatura equivalente de ruido En esencia. la rr/ación de gananda a tempuaJum equimlenle de ruido. GIT,. es ima cirra de mt:ritoque rej1l=ta la calidad de un ltCeiXor de salfli~ o de estoci6n lerrestre. Pum un receptor. G/l', es ha re lación de la gananeia de laan lena receptOl1l a lalemperotura equivalente de roido. T,. del receptor. Debido a las polenciM de ponadora tan e"lremadamenle pcquellas en recepción que hay en los si51emas SIItelillll es. con mueha íreeuencia se ubiea fIsieamc nte un ampl irlCador de bajo ruido (LNA. de low-fU)i¡e omplifier). Cuando asf sucede. GIT, es una relación de la gananci a de la antena receiXOt:I más la ganancia del LNA. enlre lalcmperatllm equivalente de ruido. Es deci r. para este caso. ( 18- 16)
E"presada en IOgari UllOS
~, (dBK - 1)
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A "
+
A(I..N"~<1u) -
T .-
(l8·11)
La rel ación G/l'. es un parnmelro úti l para determinar las relaciones ¿·tlNo y CIN en los receptOreS del5aI~lite transpoodedor y de la estación ~rrestre. En esencia, esel único parámetroque se requiere en un receptor de "'filIe o de ~Kión lelTelilre..u:mdo,;e eon. pleut e l e~leu lo de lO!! ga510s de enlace.
Ejemplo 1 B-S Calcular l. figura Oc ~ri' o Gff.. patlI un SIIU! lile lrans.pondcdor eon ganancia de !1I1tena reeeplora de 12 dB, gananeia de LNA de 10 dB Y una temperatura cquivlllenle Oc roido Oc 2ó dBK. Solución Al
w~tiluir
en la c:euaeión 18-11 se obtiene
G
-
T,
Comunicaciones satelitales
- 12d8 -+- IOd8 - 26dB K . - 4dBK - 1
825
Mat rt'll protegido <:Ir dcrf'r.hos de>
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TAau 1&4 Par&rnetr06 de tres si!ltemas lI8I:eIitBles hipoté! icOf!
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Poccnci. Ik J.llilbdd tmulnoo.. (Alur,w;i6n. d8W) f'tnlidu porreduttión m l. elaCión ~ .... (d 8 ) P&dida.'i por IalJlifocación y en alimo:lIIador de: l. ~ ltm:)In:
Ganaoo.dc:III~l4ii l UC(dB )
f'tnlif,l..,¡ ~n ~J tn)"«UI por ~J Of*io libre (d8) Ganancia ele: 11_="" ' CU:IM(lnI del w.!li' e Id8 ) I'frtlIdu por runif,u ciOn)' rft ati_o"""'. m el tattlite (dB) TmlpmoIUflI equinJemc de rui"" en lIIr.!lite ( K) GIr, en el u¡~I¡1C (dBK - ' ¡
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Grr, de 1, .,....i6n i=nlre ( dB K - ' )
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M IM<,,,,,/g f'oItnci. de KlKb del trlMmisor(utunlci(iQ. d BW) PmiKII, por mfueci6n ~n el .o.ai~lile (dR) O, I'trdidas por nmifk&i6u )' en alimentallor del saIo!liLl: (dO) (')u., I'I'nlidu lIImo¡;rtncu (d8 ) O., Gananci.de lo anle '" del Ulo!lilC (d D) f'tntidu en d tny«to por el e!Opfltio libre (d8 ) Va""ncia de la anl4 .... de '""'1 .. iiIn en 1,_i6n
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31.1
En/oc:#! de bajada l. !'otencim de 581ida dd tnmsm isor en sattHue. a l. saturnción. 10 W LO dBW 2. PffiIidas JXlf reducdón en SIlltlite 0.1 dB 3. PbtIidas por ramificadófl Y rl1 al iJO('l1tador de slulritc O.~ dB 4. Ganancia de la aniMa InIUmison del w.' li~ (de Ll fig. 18-27.0.37 m. 12 Gliz) JO.8 dB ~. Otras ¡Xrdidas aunosrtricu de rl1lace de bajada 0.4 dO 6. ~jdas rl1 l. I... )'«tooa por ~J espado libre: (de la fig . 18-28. a 12 GU1.) 20~.6 dB 7. Ganancia de: ta anlrna IttrptClnl de la estación tal'esrre ( 15 m. 12 GHz) 62 dO 8. ~rdidas por mmificación y rn aJiJO('ntador de la eslación ¡"rresrre O dB 9 . Tcmpuatura equivalente de roido en la cstación IrnfilTe 270 K ] O. RelllCión Grr~ di:. JI estaCión IrITeSlrr 37.7 d8K- 1 11. Fl'CC'UCnci. de bits 120 Mbp5 12. Esqurml de modulaóón 8-PSK
Solución Gastos de ,.,11la de JubidD: Expresada en logaritrTl()!;., ElRP {~adón l"mMrr) - P,
+ A, - 4... - 4¡-
- 33 d8W + 64dB - 3 dB - 4 da - 90dBW ~nsidad de: potencill de portadon en lu 1lIltena del S8tl litc C· - EIRP (cstación IrITeSrre) - L, - L. - 90dBW - 206. ~ dB - 0.6dB - - 117.] dBW
828
Capitulo 18
Mat rnl protegido p?f derechos da "lul')r
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FIGURA 18-28 PéI did8s en 18 tl'lIyeCtCIria por- espacio libre (l.pJ calcullldas con Lp - 183.5 • 20 Iog {(GHz!. éngo.Jlo de ele'w9ciOn - 9J" Y dist8nci& 35,93aJ km
Dm~¡dad
de p!l(cncia de portador.! en la antcna de la •
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~laci6n
I=su:e
EIRP - l.,. - L..
z 40.2 dBW - 205.6 dB - 0 .4 dB - - 165.8 dBW
C/Nn en el receptor de 13 estación terres tre
-e . -e - -e x -I No
A'T,
T,
K
doo\de -e - c x -G T.
T.
-e _ C X _G X _I
Asf,
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.. - 165.8 dBW
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+ (37.7 dBK - ') -
(- 228.6 dBWK) - 100.' dB
modo ~l1tmali\'o p;u1I despejar ONo .:s
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- - C+ A.. - , T - K N - - 165.8 dBW
- - 16S.8dBW
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No
No
+ 62 dB + 62d ll
- 10 10g 270 - ( - 228.6 dBWK)
- 24.3dUK -
1
+ 228.li dBWK - IOO.!5dB
10 1og/.
- 100.' dB - 10101 ([20 x 10") .. 100.5 dB - SO.8 dB - 19.7 d8
B30
Cepftulo 18
Mat rnl protegido p?f derechos da ':lul')r
PREGUNTAS 18-1. Describ:!. un salélite. en forma brc '·e. 18-2. ¿Q\M! es un satfl ite pasi~o1 ¿Quf es un 5au!lite acti\"O'! 18-3. Ikscrib:!. las diferencias entre
$:I~1ites
aslncronos 'J geoslncr(lll(lS.
18-4. Defina progratfa 'J rrlrogruJa. 18-5. Defina apogto 'J pc"rig<"tJ. IU. Explique en rorm:t brc"e las carac1crfsticas de I.w; órbi t:tS de $:Iléli te de baja altum. ahuru in termedia 'J gmn altum. 18-7_ Explique qué
son órlIitas ccunloriales. polares e iodin:wh e •
18-8. Describa las "enlajas 'J Ins dcs'"eotajas de 105 5at~litC$ gcmfllCTUl105. 18-9. Defina d"!ulo tU ,ui6n. dnsulo de rll"l'/ld6n 'J nzJmul. 18-10. Delina selH'rntiÓII f's¡HKiol dt JiJlllilts 'J 5 U§ restricciones. 18-11 . Describ:!. qUl! es una ··hutlln··. 18-12. Desc1iba 1:tS distributione.<; de radiación localil.ada. lonal 'J de cobmul"lt lerrestre. 18-1J. E.\pli'lue qUl! es ",uso. 18- 14. Describa eo fOfJO.l brc:\"e la!; camcterlSlicali de funcionamiento de un mudc:lo de enlocc de subida. un transpondcdor 'J un enlace de bajada. para un sistenlll satelim1. 18- 15. Ddillll la ~rrJ¡dn por rrducri6n 'J su relación ron el amplific:Wor satu".do 'J ]a potenci. de transmisión . 18- 16. DcfilUlbtirt~(ollthil. 18-11. I"kfin.a 1. pmenda t"1«/i,.... i.JOlrópico irra
18- 1' . Defina la dtlUidad dt ".ido. 18-20. Deli.-.a la "'{oriol" de porfQifOrtll1 tknsidild ruidQ 'J la rrfacMn dt "ntrglu de bil u dt-uidad d" ruido. 18-2 1. Defina h rrlucidll de gurwrK"U1 1/ lemlltrulurtl equi"ul''''t dr. ruidQ. 18-22. De5Criba qUl! $OJn los gastos de enlllCC'! de satélite 'J cómo 50!: usan.
.1"
PROBLEMAS 18-1. Una atac ión lan:stn: c:st~ en llouSIllIl. Tex!lS. y sus roordcnadas son 9'::I.j - de Ion giuJd 'J Z
.32
Capitulo 18 Mat~rI'll
protegido por derechos de 'lL.: Qr
A los SlI~l ites de comunicaciones que: runcionan en la banda C se: les asigna un ancho total de banda de sao MHl-, si~tnco en tOl'TlO a la rrecuencia central del sat~1ite. A esto se: le suele llamar un canal s:ne!ital, que se subdivide en canales de: radio, La mayorla de: 105 salt:liteS de comunicaciOl\e5 porta 12 lnUIspondedores (pares de Il1IIIsmisON ttepl:or de canal de: radio). cada uno con 36 MHz de ancho de banda, Las ponndorns de [os 12 trnnspondedorcs se multiplexan por división de frecuencia con una banda de proU:cciÓll de 4 MHz entre cada una de ellas, y una de pfOlecd ón de 10 MHz en ambos extremos del espectro asignado de frecuencia de sao MH z. Si los tl'llnspondedorc:s adyacentes del espectro de sao MH z se alimentan COIl una antena polari7.ada en cuadratura. la cantidad de tr.msponckdorts (canales de radio) disponibles en un sat~ lite se puede: duplicar. hasta 24 , Doce Ir.U1spondcdof"e:¡ de número impar tnllumiten y reciben con una amena polari7.ada \'enicalmc:nte, y 12 uunspondedon:s de número par Ir.U1smiten y reciben con una antena polarizada horizontalmen te. Las frecuencillS de portadora de los canales pares se desplllZ:ttl 20 MH z respecto a las de los transpondedores impares. para reducir la dia· fonra entre los tronspondedores adyattntes, A este: rnttodo de: asi gnar distintali poIari7.aci0f\C5 ..lectronmgroéticas a cMales adyllCl:: ntes SI' llama reU/iU;wcM" de frecuencia. y es posible con la polari7.adón ortogonal y disllInciaOOo 20 MHz los canales adyacentes. La reutilización de la frecuencia es una t~cn ¡ca ¡mru logror mejor utilización del esp«tro disponible de rrecuencias.
Satélite de comunicaciones Anik-E Allit es una palaln esquimal que significa "henrumito". Los sat~l ites de: comunicaciooes Anik-E son Domsat (s:ut li\e5 don~tiros) opel"ildos por Telsal Canada, La fig. 19·2 mUCilra el plan de frecuencias)' polnri7.ación del sistema saleliul An ik· E. Un grupo de 12 canales de radio (grupo A) usa polari7.11ción 0007.oolal. y O(ro grupo de 12 canale.~ de radio (grupo 8) usa polarilaCiÓll vc:nical. haciendo un tOlal de 24 canales de radio. cada UOOCOf\ 36 MHz de anc ho de banda. Hay un ancho de: banda de 4 MHz entre los canales adyacentes de radio, y uno de 10 MHz en eada extremo del cspectro. haciendo un touJ de SOO MH1. de ancho de banda del canal del sat~ l ile , Hay 12 canales de rudio primarios '/ 12: canales de radio de resen'o o de prioridad. ACCESO MÚLTIPLE
El ncr:UQmt¡/lipf~ al sat~ lite (que a ~~ se llama lfestiMmú/tip/e) implica que má.~ de un usuari o tiene acceliO a uno o más canales de radio (tronspondedoresl dentro de un canal de comunicaciones ViD sat~ lite. En forma clU1lClerlstica. una empn:s.a u Of"Cradon común renla los transpondedore.~ con el fin de propon:ionar tnInsmisión de \ 'OZ o de datos a una multitud de usuarios. El método por el cual sc usa o acude el lincho de banda de un IfIUlsporn.ledor depende del método de acceso múltiple que se use. La fig. 19·] muestra los treS am'g/of dc atteso mtí/lip/e tic: uso más común: acceso múltiple por divi5iÓll de frecuencia (I-'DMA. defrrqurllcy-di.uioo mU/lipl.. acreuing). iICttSO múltiple por di ~isi6n de: tiempo (fD MA. tic: /ime·d¡ ..isiOlt mil/tiple a('Ccsillg) y acceso mú lti ple por división de código (COMA. de cod..-d;";siOlt mu/tiple acc..ssillg ). En el FOMA.:t lu tmnsmisiones de cadaes¡oción terrestre se le5 asignan bandas de: frec\M:ncia e:specrrlCU5 de enlace de subida y de bajada, dentro del ancho de banda asignado al sal~l ite: pueden SICT prrasiglladas o asiglladas por demanda . En consecuencia. las transmisionc:i FDMA se separan en el dominio de la rrecuencia y. por consiGuiente. deben companir el ancho de banda touJ dellrunspondc:dor asl como la po-tencia loud dcl\r:tnspondcdOf. En el TOMA, cada o:su.ción \r.lnsmi te una COItD rifa¡a de infOf_ l1Iación dur,mte una rauura (lptJCl/) especifica de tiempo tkntro de una lnlIna TOMA. Las ráfa· gas se: deben sinc\'O(\i r.llr de modo qu.r: la de cada estación llegue al SIII~lite en un momc:nto distinto. En COf\sccuencia, las IfIUlsmisionc:.s IDMA e:stlin separadas en el dominio de lliempo. )' en TOMA, lodo el ancho de banda y la potencia del transpondc:dor se usan paru Cadll tnInsmi5iOO. pero sólo durante un intervalo pree5tablecido de tiempo. En el si5tc:ma CDMA. lodas Iw; estaciones terrestres trM5111iten dentro de la misma banda de frecuencias '/. par.iI todo fin prictico. no tienen limitaciones de cu:lndodeben u-ansmilir o en cuál frecuencia de portadora. Asf. en COMA, todo clancho de banda dd ül~lite tmnspondalor lo usan todas IllS estaciones en forma continua.. La sc:par:ICión de sdales se h.acc: con tknicas de cifrudo y de§ci(r'lldo de envol ~ente . Ar reglos de acceso m01tip1e 8 aatélites
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Acceso múltiple por divisi6n de frecuencia El ucct'$o mllllitlle por di~úión dl' frrcut'ndll ( FDMA. de frt'qut'ncy·t1i~·j$it", mulli,/le acus.r) es un rn6todo de acceso mlÍltiple en el que determinado ancho de oonda de RF se divide en bandas menores de rrecucncia.111Ul'U1das subdil'i¡i()ltts. Ovla sl,lbdj ... i~i6n tiene MI propia F1 dc ponadoro. Se usa un mccanilniO de control para asegurar que dos o más estaciones terrestres no uansmitan en la misma !ubdivisi6n y al mi ~mo tiempo. En esencia. el mecanismo de oonlrol designa una estación reccplOf1l para cada una de las subdivis iones. En 5 i~lemas de asignación pordcman· da. el mec1li\ismo de control t.ambién SI: usa para establecer o terminar los enloces de banda de ,'O;¡; enlfe lu.s cslIICiOflCS terres tres de: origen y de destino, En eoo5oeCuencill. cualquier,¡ de las ('S .
taciones lern:sIreS participantcs puede Lls.IIT cualquiern de las su!xli ... is;OIlCs en cualquier momen· 10. Si cada wbdil'i5i6n .KIlo pona un canal de banda de "01. de 4 kH1., ;I ($10 se le llama 5istelJ1l1 de '''' cmwl por IKmmlort/ (SCPC, de Jinslr·chmllld per ca rrirr). Cuando se mullipluan varios canales de banda de \ '07. por división de frecueocia. para fonnar una sei'ial compuesta de bandQ base fonnada por gropos. sUPCfl':I1J p05 o ha.sta gropos maestros. se asigna una sulxlivisión mi.~ ancha. A esto se le noma múlliplrs mltalt's por ponllflortl (MCPC, de mlllliplt',cMtmrl pu currirr). 1..:15 frecuencias)' anchos de banda pamlos 5istcmas SlItel iUlles FOI\IJl-'1.1 que usan formatos de: varios camales por port3dora se suelen asignar y ..... ,,, ,anc:cc:n fijos dumnle un largo tiempo.
.3.
Capitulo 19
Mar rF11 protegido p-?r derechos de '1U ':Ir
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Mód .... QPSK
S2.1 125 MHz 10 . 11~M H .
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IMódem OPSK 52. 1575 M il. 70. 1!515 MI1l
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51.885 101Hz
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c..n.oJ 399 codee
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128 kbpo
M6demQPSK 811.1 325 101Hz
8U125 MH.z
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MócMmQPSK 151 .i65 MIV
se dh'ide 11 la mitad. y se obIicnc:n dos handas de 4OOcanales. una baja y una alta. l'ar.. operación dúplex , se usan 400 canales para lnm.~mil i r en una dirección y 400 para la dirección opuesta. También, los canales 1, 2 Y 400 de cada banda permanecen sicmpn: vados. As! se reduce la can -
tidad de canales útiles dúplex de banda de \'07. a 397. La banda e de 6 0 111; va de: 5.725 GH7. a 6.425 G H'I. (700 M H>;). Es.o prnni tc unos 36 canwC1l de R F de 36 MHz por sistcmIl. Cada el!.nal de RF licne una cap.-.cidad de 397 cnnaJes dúplc~ de banda de ,'01~ Cada canal de RF (lig. 19-5) ticrlC un collfll común d~ st:Íwli;:¡¡ción (ese. de rommtHl siJ' e.~ una transmis ión mulc iplexadll por di visión de tiempo. '!l/ling dU"'''f'/) de 160 klü .. El que se muhiplexa por división de frn:uencia en d espc:c1ro de FI abajo de los canal es de b;mda de VOl codificados por QPSK.1A fig, 19-6 muestra la estructum de trama TDM p;lra d ese. El tiempo total de: trama es j() ms. que se subdivide en 50 ranuras de 1 ms. eada estoción lem:sllt transmite en el canal ese sólo durante su r.muro prcasignada de tie mpo de 1 ITU. La scilal ese está en código binariodc 128 bits. Par.ltrammiti r un código binario de 128 bits en 1 ms se requiere una ve locidad de tronsmisión de 128 t.: bps. El cód igo ese se usa paro establecer '1 desconeclar enlaces de banda de: vOl.:e nlrC dos estaciones te:m:.stre$ us uari a~. cuundo se usa asignación de canal por demlUlda. El canal ese ocup;l un ancho de banda de 160 klb .., que incluye los 45 kHl paro el canal I de: banda baja. En consecuencia. d canal ese VII de: 5 1.1185 a 52.O.\S M Hz. El ~'Ódi!lo bi nario QPSe de l canal ese de 28 t.:bps mod ula una portadorn de 51.965 Mll z. El ancho mfnimo de banda requerido por el canal ese es 64 t.: Hz: esto da como consecuencia una ronda de protccci ón de 48 kH1. en cad:llado de la sellal ese. En el FDM A. cada estación terrestre: puede Imn smi¡¡r en form a s imul tállt'a de ntro dd mismo espectro de R F de 36 MHt" pero en dos clllUlies distintos de ' ·Ol.. En consecuencia. las tmnsmisiooes s imul táneas de canales Oc banda de \·Ol. de todas las estaciones tem:stre5 de la Il'd
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FIGURA 1!J-1Q Trema mUtipIeX8da prWnaria CEPI. TOMA
periodo de 2 ms cada una de las ~Iaciones lerre5UCS panicipanlcs deben tmnsmi li r en momenlOS distimos. las uansmisiones individualC5 de cada esu.ción se deben hacer en tiempos lxastanlc menores. En la ¡roma CEPT se usa una frecuencia de lransmisión de 120.832 Mbp!;. F..sla velocidad C'sel qoincuagl!simo oove no rntll liplodc 2,().18 Mb.". En consecuencia, la transmisión real de los 4096 bits acumu lados dura unos 33.9 ~. En los rcccIMorel de o lllCión IcneslrC. los 4096 bil5 5C guardan en un reg istro 'J se desphll.an a una frecuencia de 2.048 Mbps, Como tooM las
frecuencias de reloj (500 Hz, 16 kHz, 128 KHz. 2.048 MUz y 120.832 MHz) están sincronizadas, los códigos PCM se acumulan, guardan. transmiten, reciben y decodifican en sincronfa periectaoPara los usuarios, parece que la lI':lJ\smisión de voz es un proceso cooti noo, El sistema TOMA tiene varias "entajas sobre el FOMA. La primera. y quin la más importante, es que en el TOMA sólo existe la portadora de una estación te" es~ en el S31c!lite tnlmpOfldcdor en cualquier momento, por 10 que se redue:e la distOfSióo por intermoduladÓn, En segundo lugllT, en FDMA ea.d3 ($ 1.1IciÓn debe poder transmiti r y recibir en una multitud de frecuencias de portlldor.1, par.! lograr fundones de acceso múltiple, En tereer lug3l', el acceso TOMA se adapta mucho mejor a la trnnsmisiÓll de información digit31 que el FDMA. La.~ sdales digitales se acli matan con más naturalidad para su alma/:enamiento, con,'er¡ione5 de frecuencia y procesamiento en dominio de l tiempo, compar0d3s con sus eontrapanes analógicas, Ladcsventaja principal de lTDMA respecto a FDMA, es que en el primcrose requiere una sincroni'lllciÓn precis:a. Las transmisiones de cad3 esuiciÓn teITCstre se debe n hacer duranlC un3 l"',Inura exacta de ti empo, Tambic!n, en TOMA se deben lograr y nlanlCner las sincronizaciorte$ de bilS Y de tramas,
Acceso múltiple pOI" divisibn d e cbdige En el sistema FOMA, l.u e~'aciones tel'f'e1;treJ; se limi tan 3 determinado ancho de bamb den tro de un canal o sistema !3telital, pero no tienen restricción en cuanlO 31 momentOde tnmSmi tir, En TOMA, las transmisiones de una estaciÓll ICfTCSIre se K'Stri ngen a Un:I nmura precisa de tiempo. pero 00 tienen restricción sobre b frecuencia o ancho de banda que pueden USIIT, dentro de Un:l asignación de sistema o canal sntc:lital especificada.. En el acctw múl/iple pordil'isi6n de c6digt) (COMA, de crxk-
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Ai1 eglos de Becese múltiple a aat6Iites
Mar rl'11 protegido p-?r
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FIGURA 1 9-11
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Acceso míAtiple por división de código (CDMA): (a) codificador: (b) docodificador
hay limitación para el ancho de Ixmtb.:I ,reces se llama acaso múltiplt pordispt l'3iÓtr di' tS/I«lro al acceso COM A: las transmisiones se pueden repartir por lodo el ancho IIc banda asigml/Jo. Las InmsmisKmes se scparnn rnroianle lécnica~ de cifrado)' descirrndo de Cf\\'oh'Cmc. Esto es, las esladones de~ eslación taTCstn: se codifican eon una palabro birwia única. llamada códigt/d, pubo. Cada estación liene su propio código de pulso. l>ara !\'Cibir la u':lnsrni~ión de determinada Clilación I~tn:. Ql:rJ CliUICión IC1'TI:Stn: debe conocer el código de PIl lso de lu primero. I.a figr 19- 11 ml.l($tr.lel diagl11lll:l de bloques de un oodificador y dcrodificadorCO MA. En el codifICador (lig. 19· 1111). los dalOS de cnlruda. que puede n ser señales de ban.:!a de \' 01. codi fi cadas por I'CM. (1 datos digitales en bruto. se l1lultipliea por un código de pulso únieo. El código de producto modu la en PSK una porIadora de FI. que su fre una OOf\\'ersión elevadora hasta la RF de transmisión. En ~ I ret"l:ptor (fig. 19- 1l b). la RF tiene rorll'ersión rWuctora hasta la FI. De la FI se n:cupcra una (JOI1aOOrn PSK cohcrenle. También. se adqu iere y usa el código de pulso para sincroni1.1lf al generador de código de la esulción ret"l:ptora. Téngaseen cuenta que la cstoción re<:eplOl11 collOte el código de pulSQ. pero debe g~ nerar un código de pu lso que e<;lé sincron i1.lldo en el tie mpo ron el código de m:ibir. El código sincrón ico de pu lso m:upcrado multiplica a lo portadorn PSK m:upcrada y gcncrn un a sellal modulada PSK que contiene la ponadora PS K y el código de pulso. La señal m:ibida en Fl que contiene el códi go de pulso. la (JOI1adora PSK Y la información de datos se compara COII la señal de Fl I'\!cibida. en el cofTf!4u:im/{J(lor. La fu n¡;ión del c~lacionador es comparor las dos setlalcs y n:cupemr los datos originalcs. En esencia. el corrdacionador resta lu (JOI1adorn PS K n:cuperJda + el código de pulso. de la portadora PSK rt-cibida + el código de pul50 + los datos. El resu ltado son los datos.
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Capitulo 19 Mat~rI'll
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siempre sa;:ede, Para s islI:mas que: no tiene n trans mi siones ~ incrónicas en c:lt iempo. ~ deben desarrollar eódigos dontle 110 haya correlación entre el código de una estac i6n y cualquier fase de código de Otnl. CSlaciÓII. U. diferencia principal entre los transmisores PSK de disp...'fSiÓll ck espectro y o tras cta· ~ de transmi l\QfCs PS K es el modulador adicional donde: se multiplica la palabra de código por los dIItos que entran, Debido a la nOlu rale7.1l psc:udo.lle:moria de la p;¡lnbra de código se le: llama ru ido pseudQ(Jl~u lO,in (PRN. de /ls fu¡lo((lnd"m noi;Je) , Este ruido debe tener una propiedad de gr.!n au tocorrc laci6n (consigo mis mo) )' una propiedad de blIja com:laci6 n eon 105 códigos pseudoaleatorios de: otros transmisores. La rnpidcz de palabras de código (R..,..) debe ~ mayor que: la rapidez de datos que llegan (RJ) en varios 6rdcne.~ de magnitud. Ademá.s.la ropida del c:ódigo debe ser esladfsticamente: indep<'ndientc de la seilal de datos. Cuando se satisfaccn esas dos condiciones. ci espectro final de seflal dc salida auml'nmn!. (se dispersan!.) en un foctor llamado /{UfUmcia de proc,.sami,.nto. que se e~prt:Sa corno sigue
( 19-1)
donde G es la ganancia de: procesamien to, y R("W > > R.,. Una señal de dispersión de cspectro rIO se puede: demodular con eJlaclitud si el n..-ccptor no posee un cin.:uilO que se: ocoplc coo e l gcncrudor de palalxas de código e n cltransmisor. Tres de las tfenieas m:!.s usadas para producir la funcioo de dispersión son ,rt'cut'ncia dirn:/(/, ,milo dI' frt'Cut ncia y una combinac i6n de las anleri ores, llamada hfbrido ¡/,. S(IIIO ¡It frtcuencia con ;JtCUtndll dirtcru (OSIFH hlbrido. de dift'cl-St'qut'ncefrrqut'IIC'Y hoppinl!)' Secul'nda dll"t'Cla ( OS). La ¡lis(It'rsi6n d,. U /lfi"lro /HJr s«utnCill ¡/irw:w (OS -SS, de dift'ct';Jtqlltnt;t SprtluJ sp«/nlm) );C produce cuando una sci\:ll bipolar modulada dedalOS se: mul tiplica lineahnente por la se:i\a l de d isp<'rsión en un modulador balanceado especial llamado 00rft'laciontJdor de dispersi6n, La rapide1, de: código de d ispersi6n es R("yo' = Irr... donde T~ es la duración de un solo pul so bipohlT {esdecir. el pI/Iso), \.¡¡Sfrecuenc ias de pulso soo de 100 a 1000 veces nlllyores que: los datos delmensuje y. en consecuencia, los ticmpos de pulso son de: 100 a 1000 \'cces mc:nort:Sque: el ticmpo de un solo bit dc datos. Por lo amenor, el es¡x:ctrode fn..-cuc n' das de salida lransmitida con di5persi6n de c:spe¡;tro es de 100 a 1000 \·cce.~ más aneho que el anc ho de: boInda de la scftal inicial modulada de datos PSK. El diagranla de bloques tic: un sistema de dispersión de espectro por secuencia directa se ,'e en la fig. 19-\3. Como all í se "e, la fuclltc: de datos modula en fonno directa a la !leilal de portadora, quc a coolinuaci6n es modulada a su ,'e1. por lo palabra en código de dispc:tlii6n, en el correlacionador de dispersión. Los códigos de di spersión (de pu lso) q~ 51: U.j.311 en siSlemas de d ispersión de e.~ pectro puc:dc:n ser códigosdt S« "tncill dt ICIIt};;I",J Hld.dn/{I , que a veces se llaman códigos(lt' ;Jt cuencia m. o cddigus dorados, Los códigos dorodos son combi naciones de eódigos de longi tud nili ima invenllidos por r.hgnavm: Corpor.uion en 1967. es peciahneme paro ap licaciones de acceso múl tiple COMA. Hay un conjunto rdal ivamemc grJnde de: códigos dorndos, disponible con corm_ loción mlnima entre códigos de pulso. Cuando hay una eonlidad mzonable de usuarios de satélile e5 imposible logror códigos perfecUllnen te o rlogonales . Sólo se puede diseilnr para tener una correl ación ellll.ada mlnima enlrc pul sos. Unn de ht~ ventajas del CDMA cra que: lodo el ancho de banda de un canal o sistema SlItctilal se: puede usar para eOOu transmisión desde cada estaci6n lem:S1re. Pura nuestro ejemplo. In r,lpidc:1. de: pu lsos era seis veces la fr..'Cucnc ia original de bits. En consecue ncia. la velocidad real de transmi siÓll de la infOfTlUlCi6n sólo cm la sexla pane de la frecuencia de modu lación PSK. y el anc ho de banda necesario es seis .'eces 111ayorqued que se requi ere para sólo transmitir los datOS originales en bi nario, A eausa de la ineficiencia decodificación causada por lran smitirpu lsos en vez de bits. se cootrurTc:Sta la vemaja de más ancho de banda y. por consiguiente:, ya Aa es lJIJua ventaja. Además, si se debe sincronizar la trnnsmisión de pulsos desde diversas esUtcioocs, se requiere: una sincruniT.ación pc:rfccla paro que trabllje. el sistema. 1'01" lo amerior, 1:1 dcS"c nlaja de: roC'Cc:sitar sincronilllCión de tiempo en ~iS1enm.~ TDMA lambifn e~iSlc oon d CDM A. En re· ~umc: n , el oc~ C DMA !lOes lodo lo qoc se dccla de t l. La "cnlaja más imporlanu: del C OMA es su inmunidad a lit inlencreneia. quc lo haee ideal para aplicocione.~ militart:5,
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capitulo 19
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al que se usa en el sistema SPADE. La OSI es una fonna de asignación por demanda: se asignan se en fonna aleatoria segun se l"IeCCSilen. En OSI se \ 'C que hay una comprrsiÓl. dt canal: pueden haber mis Te asignados que la C3/11idad de se. En ~OCl al. se usa una relación TC:SC de 2: l. Para un ci~il0 de comunicaciones dupJclló (dos sentidos simultállOO5) hay ,'Ol en cada dirección 40% del tiempo. y el circuito eslá inóliCli,'o 20% del tiempo en ambas dilaciones. Por lo IUllenO!". se obIic:ne una ganancia OSI un poro mayorquc 2. La ganancia OSI se \"e afccttda por un rertómc:no llamado rtrorlt oompftiril'Q, Es cuando se deteaa energía de VOl. en un TC y no hay se qu~ asignarle. Durante: el tiempo de I'S~ro. se pierde la inrom1llCión de ' "Ol.. El suscript or no nota el rccone c:ompetith'O si su dun, ción es menor que SO ms. Para aumentar todavfa más la capacidud del canal se usa una Iknica llamada robo ¡It bUs. Con ella se pueden agregar canales a siSlc:mu 100almcnle clugados robando bits de los clll1ll.les en uso. En general. se genero un canal de 5ObreclU'8a robando el bit mcl105 significativo de 0U'05 7 canales del sal~li le. El robo de bits da eomo resu ltado 8 ca nales con resolución de 7 bits, mienuas se: usa el cwwl d~ mlTCorgl,J, En oonsc:cuencia. el roOO de bits da como resultado una SQR menor que la oormaL
Interpolaci6n de voz por asignación de Ü8mpo La illl~rpoItlción de \'OZ 11Or IlSiglU/cidn d~ li~mpo (TAS I. de tim~·assignm~nt spttch illln11Olt/, tiol1) es una rOfTl1a de compresión analógica de canal que se ha usado durante mocho! llfIos en cables submarino!, TASI se parece mucho a DS1, pero IIH scilales interpoladas son anal6gic1L'l. y no digitales, En TAS I t:lmbi~n se usa una relllCiÓfl de compresión de 2:1. TASI fue el primer método que se usó paro desorganil./lf seilales de "al por seguridad militar. Se parece 11 una I'l:d de paquetes de datos; el mensuje de voz se recona en pequeilos segmentos, hechos de: sonidos o de panes de sonidos. Los sonidos se mandan por la red en fonna de paquetes separndos de encq;'a, y a romi nuac::iÓII se vuelven a anJW" en el receplor, pan n:confOfTl1ar el mensaje origi· nal de VOl..
RADIONAVEGAClON POR SArtUTE Se puede definir a la tWI'tgaci6l! como el arte o la ciencia de tl1l.1..i1r, definir o dirigir el cUr.;Q de movimientos; en OllaS palabras, es conoc~rd6l!dc~slá ""/0. y po(ürcncortlrC/rcl comino, EI/~· todo IIÚS antiguo y rudimentario de navegación es el de mgobundmr, que no es más que conti· nuar viajando hlHllIllegar al destino. suponiendo, naturalmente. que luIya destino, Todd Fe~u . son, mi buen amigo y viajero mundial. dijo una vez - el viaje "erdlldero no tiene destino", El vagabundeo es la ttcnica de na,'egoc ión tan frecuente que usan muehos alumnos durante su pri. mera semano de da.'1C5 en todos los colegios y uni\'ersidDdes, Es probable que el primer nM!lodo efectivo o útil de navegac ión haya s ido la nOl't8~i6n c,/estt. En ella. se detenninan la di · rección 'J lo distancia mediante el segu imiento de cuerpos celestes. inclu)'endo 11 las estre ll as 'J a 111 Luna. cronomctnldos ron glll1l pnxisiÓII. Es una t6cnica primitiva que daLl de hace miles de 1lÍI()I;, Una desvcl1loja obvia de la nII\'egllCión celeste es que funcKlon.a mejol" por la noche 'J de ¡>re' fe~ncia con ciclo despejado. Otro nM!todo basWltc rudimentario de navegación esell'ilowjt. que es fijar posició n y di· rección con respecto a 5Cl\aS importanles. como vlas de ferrocarril. tanq Ud elevados. granc:ros, piCO$ de monud\a 'J cucrpos de aglla. El piloc~e deri\'a ~u nombre de los primelllll pi locos de aviones. que USlll'Oll este rrM!todo de navegación. Lu nOl'cgución ti cSlinul es una ttcnica donde se determina la posición e.uf",1polando una serie de incrementos de \'elocidad n~idos, En inglb se llama ~dcod (o "dd") rcd;o/ling", y lo de "ded" se deri va de "deducido". Charles Lindbcrgh usó con bastante ~xito la navegación a estima en 1927. durante su hi stórico viaje tfllS3tl!l.ntieo de]3 horas, 'J Amelia Eaman lo usó con bastante fracaso en 19]7. durante su intento de ,'a lar por primera "el alrWedordel mundo. Aunque cada uno de los rrM!todos de navegación que 5C han descrito haSla ahora tieocn su lugar en el tiempo. sin duda la técnica de navegoción múexac1a hasta la rccha es la rodiOll{.....ga· ci6tt, o tWl"t8(Jcldn clcclrtJnico, En ella. se detennlna la posición midic:ndocl tiempo de recorrido
Al i eglos de acceso mú!tipMI a satlIlitas
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I')r
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de una onda electromagrn!tica cuando va de un tnlIlsmisor a un receptor. Hay IIÚs o menos 100 tipos d istintos de sistemas domkliros de radiona\'cgaci6n que se usan en la actual idad. Algu-
nos usan transmisores terrestres y otros usan transm isores de sat~lite. Entre los sistemas de nIdionavegllCión más exactos y ú¡i les !oC inc luyen los siguientes Decca (emisión en supeñlCie terrestre)
Omcgll (emisión en superficie terrestre)· Lor:m (emisi:m en superficie terrestre) Sistema de posicionamiento global NUI'" Traroir (emisión de SlIu! liu: e n 6rbiul ooja)· Sistema de posicionamiento global NU I'Slur (emisión de satélite en &bi lll inlel11ll:dia)·
Los siSII:mas de posicionamiento glob.ll (GPS. de global posillonil18 syslf'm) Lomn y Navstar son 10$ dos de rndiomwcgación que más se usan hoy.
Navegaci6n Lora" Hasta hace poco el Loro" (de LOll8 R:lI1ge Ntn'igu/;QlI, navegación a larga distando) era el n~· lodo más erccti\'O, confiable y exacto de rodionan:g;u:ión. El Locan A se desarrolló durante la Segunda Guerrn Mundial. y el Loran e , su \'ersión más reciente, salió en 1980. Hoy se usa principalmente en los Ilvio~ y ban:os recrrath·os. En el Lorom. los n:ceplOn's oot¡uierrn se/bies codificadas especialmente de dos pan:s de trunsmi$0TC5 de alta poIencia. en tiena. cuyas ubicacio~ se conocen con pn:cisiÓll. Se mide el tiempo transcurrido enln: la rttepción de: las seilales codificadas. y en el rtteplor se convierten en distancia usando la velocidad de propaga.ción de IlIS onda~ elecll'Qmagllo!!liea;;. Al aplicar la goometrla básica y la rela.ción entre la distancia d. la \'elocidad v y el tiempo / (que es d - 1'/) . se puede delcmlinar la ub icación del receptor oon grun e~actilUd. Sólo hay un COIljunl o de coordenadas que posee determinada re laciÓn de tiempo (dist!lflCia) segun tres fuentes. El Lor-.lII es tan preciso como la precisión con que se puedan medir los tiempos de transmisión de 1M scilaJes codificadas. Los errores del sistema se deben principalmente a problemas de propagación. como el hecho de que la superficie terrestre no es lisa, ni es perfectamente redonda. Las condiciones at mos f~ricas y las multip1cs tI"J)'ectorias de tr-.ms misiÓn t!\mbi~n pueden afectar el funcionamiento dell.oran. Sin emhargo. e~ prohahle qu e la drll'rolaja m,b notable del Loran sea que: no da unll cobertura global. Los tmnsmisorcs en IÍcn-J sólo se pueden instalar en tierrn. y la tiCTTll es una parte relat ivamente pcqueila de la superficie: de la Tierra. En conStttlcncia, hay luglU'Cs donde simplcmente no se pueden recibir las sc~ales de l..ornn (puntos muertos). Sin embargo, no es importante lo bueno o lo malo que haya sido el Loran. porque ha emergido una t~niea más nueva y mejor de radional·ega.ción. llamada GI'S N(jvSlI/r, que usa I11Insmisores basados en sat~l ites.
GPS Navstar es acrónimo de Na.'ig(J/ion Syslt'ffl " 'irh Timt' I\nd Ranging. sistema de nal"egociÓn con ti empo (honls) y telemetrfa. y GPS es la abrevialllnl de Global PosiriQning S)':rlt'm. sistema de posicionamiemo global. GPS Nal'star es el sistema más reciente y exacto de nldiona\'egoción del que se dispone. Está basado en sat~litc:s y es abierto, lo cual significa que está a la disposición de quienquienl que tenga un receptor GPS. El Departamento de Defensa de Eslados Unidos desarrollÓ Nav5tar para tener in(onnaeión continua y muy precisa sobre posición. \'elocidad y horas para usuarios en tierra. mar. aire y espacio. En esencia. GPS Navstar es un sistema de nal'egación basado en espacio. de posicionamiento tridimensional y de distribución de tiempo. El propósito del sistema es usar una combinación de estaciones terrestres, SIlttli· tes en órbita y receptores cs pc:ciales. para proporciona r casi a todos posibilidades de navegación. en cualquier momen to y en cua lquier lugar del mundo, independientemente de 1M con· dkiones del clima. El sistema satdital Nav5tar,;e temli nó en 1994. y es mante nido por la Furru A~re:a de F.. U. A,
N(l\'s/ar
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Capitulo 19
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CódigO del .. "I ~e
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FIGURA 1 9-18 Código pseudoaleatGio de tiempo GPS
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Sat.lite 2 5at.lita 1
-O- Sat.lita •
-o-
/ R.
R,
CRlcutar cuatro valores da pseudodiltaflCia R 1_cxóT 1 A1-cx:\T1 R3- C wóT 3
R. _ ex AT. e . \/e locldRd delatuz
AT, Al,
AT, AT.
I Sel\a les de tiempo tra nsmitidas por 10$ S8t'lit es
FIGURA 19-1 9 SoIuciOn de telemetrlo GPS
Ouro está qlll! el chiste es ootcrnlinlU' eon c¡ulctitud cuándo salió la sel\alllc sillCfOOiwción de l satélite . Pa.ra de:lemlinarlo, cllrnn smiw r del ~alé lile y el receptor de la estación Icm:SIn: producen ~'Ódigos idé nticos de si ncroni:.taci Ón (pseudoa leatori os) exactame nte al mi ~ mo tiempo. romo se ve en la lig . 19-18. Cada satélite trnnsmile en forma con tinua su c&ligo de s incroni l.llCión pI\-"Cisa. Después de haber retibitlo un código de sincroni:.eoción. un n;ceptor SÓlo lo eomparol con su propi o códi go, producido en forma local. para delernlinar e l liempo de propag aci ón. La d iferencia de: tiempo multiplicada por la "elocidatl de la señal de radio determina la distancia aJ ¡;,até lite.
La fig . 19- 19 ilu stra cómo puede: un avió n detenninar la di SIllJ1c ia a la que se encuentra respecto D cuatro SIIt ~ l i l es distintos. mn sólo midiendo los tie mpos de propagación. o de retardo. )' multiplicándolos por la velocidad de ID IU7 Tamb¡~n ¡¡que se pueden usar ecuoc iones simullá · neas para determinar la IOtt gitud )' la latitud del a vión. Paro. qu.c un re(:eptOf" en tierrn detennine su 1000 gitud )' latilud. debe rec ibir señales de tres o más sat~ l it es qu e identifiquen el número del salélile O su cód igo pscudQalealorio (PRN) de sincronilllCi 6n. )' la localil.ación de cada satélite. La ubical:i6n de: un ~al é li l e se describe con un sistema lridime ns ional de roordcnadllS en relac ión eOtt el I:enlro de la Ticrm. como se \/e en la li g. 19-20. E l centro de lit Tierrn es el puntO de rcfen:nd a. y sus eoonknadas SOn O. O. O. ,\ sl. cad:. satélite liene sus ooordenadll'l X" Y,. Z, que dctermimm su lu gar eOf1 respecto :al geoccnlro. Sin H
85.
Capitulo 1 9
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,
•
•
Una sublrama '"' 300 bits. 6 segundos
TLM
HOW
Datos de eorrer.c!ói1 del aatél"rIe
2
TlM
HOW
Datos de e!eméridel del satéf~e (1)
3
TLM
HOW
DatQ5 de efemérideS del uté/i!e (11)
•
TlM
HOW
Otros datos del slstema
TlM
HOW
Datos de almanaque para todos 101 sat6tltu
,
Tl.M - palabra de telemetrla
IprNmbulo,8 bitt I Dato., 161 Paridad, s i HOW - palabra de transición
IHora de la Hmana, 17 bi\$1
0 8105.
71 Paridad. s i
FIGURA 19-24 RTmato de trame de datos de fl8VegéIci6n
transmitir distintas páginas de datos del s¡~(ma. incluyendo datos de IlImanaque paru todos los sistemas. El mensaje total de navegaci6n está fonnado de 2S tromas (125 sublrumas). que se manda dUl1Uue un periodo de 12.5 mino
¡xu1I
Srgmen lo de (:I)n ll'Ol. El segnlCnlO de conU"OI Navstar, llamado sislmw de control dI! opuocWn (OCS. de OfNmlional consM J)'Jltm) incluye lOd:Is las tllaciones moniloras ¡erremes fijas. ubic::ldas en todo el mundo. una Es/adón MUlSlfO de Control (MeS. de M as/u Control Slu/ion) y trnnsrnisores de enlace de subida. Hay csta¡;ionc:s mon ilDI11.'l pasiVWi en California, Hawaii. Alaska, Isla de Ascensión (frente a África Occidental), Diego Garcfa (Océano fndiro), Kwajalein «()o!ano Pacifico). entre otras. Las estaciones monitor 110 son más que receptores GPS que ra~trean los satilj¡es euando pa.'iDIl sobre ellas. )' aeumulan datos de tclernetrfa)' efemérides (orbitales) de ellos. Esta infonnación se transmite I la Estaeión de control maestro en la Ba.sc Fak:Qn de la Fuerza Ama. a 12 millas al este de Colorado Sprlng5. Colorndo. E.U.A..
donde se procesa y dctamina si la posición real del satélite i\(' compana con su po5kión calculada por GPS. La Est:lCión de comrol maestro está administrada por el 200. Escuadrón de opoacioocs cspacillles de la Fuera Airea de E.U.A. La MCS recibe dalOS de las estaciones monilOrns en tiempo real. 24 hor:ls por día.)' coo esa informaei6n determina si los satililes sufren c;unbios de reloj de cfcrntrides. y detecta el mal funcionamiento dcl equipo. Se calcul a la nueva información de na\'egaciÓll y efem&ide$ a panir de las sei\alcs monitOf"l'adas.)' i\(' carga en los salf lites una o dos veces al dfa. La información calcul ada por la MCS.junto con órdellC.!l de mantenimiento nninario. se mandan a los salflites a tfll\'~ de antenas terre.o¡lres de enlace de ~ubidll. Las instalaciones de antena transmiten a los satélites por un rndiocnlace de banda S. Además de su función prindpa1. la MeS mantiene I!I$ 24 honls un sislema colIIl'tuariudo de tabla de bolelino;, con las últimas no\"C(I",Ics)' estados del sistema.
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~ment o del
usua rio. El segmento del usuario de GPS conSi5te en todos 105 receptores de GPS y la comu nidad de usuarios. Los reecpl Of"l'S GPS convierten I!I$ scilales recibida.~ de los \'eh!eulos espaciales en cstirnaeiones de posición. \'clocidad )' tiempo. Para calcular las cuatro dimensiones de JI. )' Y1 (posición)' t (tiempo), se requieren cuatro satflite$.l..os receptores GPS se usun para na\·egaciÓll. posicionamiento. diseminación de la hora. canogralTa. ~istemas Al, eglos de IICceso múltiple a satelites
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Servicio telefónico móvil
INn:JODUCCIÓN Aunque los conceptos básicos de las comu nicaciones radiotelefónicas e n dos sentidos son bastante sencillos. el un·ir.iQ tr/t!óni(Y/ tnÓl'il ha c\'olucionado h:l.Stll lIC'gar u ser un monstruo
de las comunicaciones. que es bastante comptkadoen su coojunlo.1.o!i telHooos ffiÓ\'iles implican redes de comullicaciones intrincadas y algo complejas. formadas COf1 Inctodologras t:lmo analógicas como diglla les. com plicados cemros y pro<:e¡Jirnientos de conmu tación comroludll por compuUldom. y vatios m&odos de GcreSO mú ltiple. El objeto deesle caprtulocs presentar los tOOccptos fundamcntalo del servicio ,elefónico móvil y prcscmur al lector varios sistemas de uso
IICluaJ para proporcionar el servicio. incluyendo los Strl'icillS ($Iandar de It llfon(" ce/u/l/Y (CTS , de cc/I .. /t.r Id"pNHIC un'jets). sil'lt'mtu d" OOt/Umiroci&l ~r$
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De mc:uerdo con las ecuocioncs 20-2a y b.la capacidad de canales de un 5i~tema telefónico l~lular es din:t1amcnte proporcional a la cantid:ld de veces que se duplica o ICjHoducc un grupo en dctcnnimida área de servicio. Al fllCtor N ~ le llamlllllmlJñode gfl4po. y suele SCTde 3. 7 o 12. Cuando se reduce e l lllmal'iO de gmpo manteniendo constilnte el t::uTlaoo de la cé lula, se requie rt:n más unidadc:s de asign:JCión paro cubri r detcnn inada área y, por consiguicntc. la capacidad
es
mayor. El roctor de rt:uti li7.IICión de: rrttucnciu de un sistema teltrónico celular es inversamente proporcional a la cantidad de célul as cn un grupo. es decir. a I /N. Por consiguie nte. a cada d!lula dentro de IIn grupo se It asigna una I/N-i!s ima pJlr1e de los canales locales di~pon¡bles
en el grupo. 8.9
Servicio telefónico móvil
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Minlcélula
Microc'IuLa
FIGURA 2Q..5 DMsiOn de célula
Por consiguiente, Jp di visión de c.!lula disminuye el radio celular a la vez que mantiene la misma reloción de reutilizoción de canal compartido (IJIR).
Sectorizaci6n Otro nrtodo para aUlTlefllllr la cop-..... idad de cllllllles es disminuir la relación lJIR IIUUllcnieodo 111 mismo tiempo el mismo radio de dlula. Se puede lopel mejorumiento de la capacidad si se reduce la clUltitbd de c.!lu la~ en un grupo, aumentando as! la reulilbxión de rrttUCncill. Paro lograr lo anterior se debe reducir la inteñerencia relativa sin disminuir la potencia de tr.msmi$ión. En un sistema telefónico celular se puede disminuir la inteñerencia por canal compar1ido si se reemplaza una sola antena omnidireccional con ~aria.'i antena.'i direccionales, irradiando cada una hacia un Iirea especifica. A estas áreas se les conoce como sectores. y a la disminución de la interferencia por tanaJ compartido llumentlUldo al mismo tiempo su capacidad mediante ante nas direcciona les se le llama st'ctoriwd¡j" . El grado de reduce ión de la inteñerencia por canal compartido depende de ]a cantidad de sectonzación que se use. En el caso normal. una eflula se divide ya sea en tres 5CCtoreS de IY, o en seis de 60". como se ve en to lig. 20-6. Cuando se usa ]a sectonzación, los canales que se usan en determinado sector se div iden en grupos sectorizados que sólo se usan dentro de determi nm sector. En la reutilización de $iete e.!lulas y sectores de 120". la cantidad de e.!l ulas que se interfieren en la hilera más cercana se reduce de seis a dos. la sectorización mejora la re lación de senal a inteñ erencia y, con ello, aumenta la capacidad.
Segmentaci6n y dualizaci6n La st'~memlld6n y la dllaliwdó" son técnica.'i que se incorporan cuando se requieren mils d lulas dentro de la dimulCia de reutiliución. En la segmentación 5C divide un grupo de eanales en Servicio telefónico móvil
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FIGURA 20-6 S torizoci6n: (IIIIIUOtoras de 120 9' 0008: lb) aectore8 de
50,.-
agrupamienloso segmentos de frecuencias mutuamente ucluyenles. y a los sitios de « lula. que están dc nl ro de la distancia de Te ul ili1xió n, se les asigna su propio segmento de l grupo de canales. La segmentación es un rntlodo para evitar la inteñcrcncia por canal rompanido. aunque baja la eapac:id3d de una cflula al pe, ",itir la rallil iución dcnU'O de la distanc ia de reuuli:tllCión, lo cual se suele prohibir. La dualil.ación es un métoOO paro evitar la divi5ión completa de ct'! lula, cuando de ocre modo se llrttSitarla segmcnt:lf toda el área en ctlulas nds pequedas. Cuando se emblece una n¡¡e.
va , f lula que req uiere el mismo grupo de ,anales que un a cflula c¡¡¡slente (cflulll 1) Y una seg unda co!lu la (tilula 2) no e!ilá a la distancia sufic iente de la eo!lula I para la reu lÍ liución normal, la pane ocupada de la «lula I (el centro) se com'k-rte en una ctlula primaria. y se pueden asi gnar las mismas rrecuencias de cllI1lll a la nue va c~ lula competidora (c~lu la 2). Si se necesi ta usar todos los canales di5ponibles en la c~lu lll 2 5urgiria un problema. porq ue la mayor c~lul ll secundaria en la célula I USll algunos de ellos. y habria in teñercncio. Sin e mbargo. en la poklica se asignan di stintos canales a las Ci! lulu, por 10 que en genen.l estO no es un problema. Un inconvenie nte de la dUlll i:laCi6n es que l"Cqu iere una estación base adicional . en la mi tad de la c~ l ula l . Ahora se Iknen dos es taCiones base en la Ci! lu la 1: uno de gran potenc io que abarca toda la ct' lula secundari a. y una de baja poIencill que eubre la Ci! lula primaria. más pe<¡uei'lll..
Estructura del sistema de células La lig. 2~1 muestra un sistema telefónico ce lular s implificado. donde ~ indican todos los componentes básicos oecesrulos en las comunicaciones por \elérooo celular. Hay una mi de radio que cubre un conjunto de Meas googrñficas (ctlulas), en cuyo interior se pt'Cdcn comuniC1l/" unidades
.7.
capitulo 20
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tcngala mayor intensidad de sdlal. y se sincroni7.a con los datos de CQnlrol tr.msmitidos por el controlador de sitio. La unidad móvit interpreta los datos y contin~a vigilando el o los canales de control. Esta unidad barre en rornlll periódica los canales. para ascguran;e que U!la c:l IIlI:jor. En un sistema celular. lus JJamada.~ se pueden hacer cntre un tclUonu de cable y UIlO móvil. o entre dos telUooos móviles. Llamadas de Iclérono por cable I mól·¡¡.
El centro de conmutación del sistema celular recibe: una llamada de un tdUono por cublc. 11 travfs de una Ifnca dedicuda de inlrn:oACllión de la red telefónica pública. La central traslooa los drgitos de marcación recibidos y determina si la unidad a la que se desti na la llamada está desocupada u ocupada. Si está disponible. la centrallocaUw al suscriptor móvil. A conlinuación de una rrspllt:sla dr: I'OUO de la un idad móvil, la centl'lll lISigna un canal inactivo e instruye a la unidad móvil pan! que se sintonice 11 ese <:lInaJ. La unidad móvil manda una verificación de sintonización de ClInal a tl':l\I& del controlador de sitio. que responde con un lono If,. progrrso 1ft: llamada altc:lUooo móvil del suscriptor. hocifndolo que $uene. La central termina los tonos de progreso de llamada cuando recibe: una indica· dón positiva de que d 5USC"riptOl' ha contestado el telUono. y qoe ba comenzado lo COn\'cn!I ción entre las dos panes. Uamada de tfléfooo mt'il'¡¡ a teléroDo por cable. Un suscriptor móvil que desee UalflIlT a un tc1ffono por cable teclea primero al número que llama en la nICmoria de: la unid.:ld. uSOlAdo botones de 1000. o un disco en ellelHooo. El suscriptor oprime entonces una tula dt mandar. que tmnsmite el número llamado. asecomo el n~mero de identificación del sUllCriptOl' móvil. a la central. Si el mímero de identificación es vli.lido. la centml conduce 111. llamada por una inten:ooc:Kión de Irnea de eable re:nlllda. ala red telefónica pública. que oompleta la conexión al telUono por cable llamado. La centml. LlsanOO el controlador de sitio. asigna a la unidad móv il un canal desocupado de usuario y la instruye paf'J sintoniZll/"5C a ese canal. Después que la centml recibe la verificación de que la unidad móvil está sintooil.ada al canal asign:KIo. el sus.criptor móvil recibe un lOna d~ llamada ~II progrrsa. audible. de la central. Cuando la parte 1111 mada descuelga. la central t(,rmina los lonos de llamada y puede comen7.a! la conveOlaCión. Llamadas de móvil a móvil. Tambil!n se pueden hacer llallli.ldus entre: dos uni~ n)Óviles en el sistema de radio celulllf. Para inicillf una llamada a otm unidad móvil. la pane que llama ingresa el número a que llama en la IIlI:mona de la unidad. mediante el tec lado. y a continuación oprime el boI:ón de mandar. La central recibe el nllmerode identificación de quien llama. y el numero llamado. y a continuación determina si la unidad 113mllda está desocupadll. JlW'lI reci bi r una IIlltl1ada. La centml manda una Qrd~n di! 1'OCt'Q a todos los controladores de sitio, y la pane llamada.. que puede: estar en c\l3lquier lugar del :in::a de cobertum. recibe esa ¡;eilal. Despufs de una localizaciÓll positiva por la parte llamada. la central asigna a <:ada parte un canal deso<:upado de usuario. y las insuu)'e para sinlOnillme 11. su <:lI.JUI.l respectivo de usuario. A continuación suena eltelUOIlo llamado. Cuando el sistema recibe el aviso de que 13 pane llamada h3 con· testado el telUono. la central interrompc el tollO de llamada en progreso y puede comen/M la con\'enación entre dos unidades móviles. Si un suscriptor móvil desea iniciar una lIamnda. y estlín ocupados todos los c:males de usuario. la centml manda un3 orrJ"n dirisiJa d,. rrim"ntar. que instruye al suscriptor para reintentar la llamada por un n cf lula ve<:ina. Si el ~ i slema no puede asignar un canal de usuario 11. tra"fs de una cflula ve<:ina. la centmltmnsmite un mr.nsaj " Ji! ;nlt'rupción a la unidad móvi l que 1I:una. por el canal de control. Siempre qoe la pane IID1llllda cstf duro/gada. la par1e que llama rec ibe una sellal de ocupado. Tambifn. si el número llamado es inválido. el 5i5lema manda un men"je grabado a lral'és del canal de control. o anuncia que no puede procesar la lIamw.
Función de transrermda de llamada. Una de las propiedades más importantes de un sistema celular es su capacidad de transferir llamadas que)'a esuin efectuándose. de uno a otro CQIItrolador de sitio a medida que las un idades móviles pasan de una a 0lTD cfl ul a de la red. A
Servicio telefónico m6vi1
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., FIGURA 20-8
Formato de canal de COI" 01: [aJ canal de control
!lO
!B otido do tiCtO: lb] canal de COIltiol en setido inver.!.o
La IIg. 2()..8b muestro el formato dd !;anllJ de 1;01111"01 en sentido ¡n\'erso, que se transmi· te de la unidad móvil a la c$taCión base. Los datos de CQI'11rol se transmilen a una \'clocidad de 10 k:bps. e incluyen rt$pucs/as t/e I'(1('CO. ptl iciOlltS de acctro y ptticiOflt'S de ,.,gis/ro. Todos los 111CIIliajes RCC comie nzan COf1 el precursor de enganche RCC, fonnado por una $uuenciu de puntos de 30 bits, una palabro de sincroni;:aci6n de 11 bits y el código de col"r digiu.1 (oce. de dig ill11 colQroJdc) que se ugregn p:l1'Ol que el 0011\1"01 de canal no se confunda oon un canal de control de una c61ulll no adyacente que esté n:utilil.ando la mis ma frecuencia. EIIf,:)éfono móvil lee el OCC de: 13 estación base y a contin uoción ~gR:Sa una " crsión codificada del mi smo. para "crificar que la unidad está :un:ur.lda a la señal com:cJa. Cuando se Icmli na la l1anlllda. se tran smite una ItiJul dr: )·tñu/j;:pd 6n lit litmJ10 filtra de 1.8 segundos. Cada palabra de mensaje contiene 40 bits. y se repite c hICO veces par.! hac:cr un tOlal dc 200 bits .
Sel"lalización de canal de voz Los canales celulares analógicos llevan infonnación tanto de "OL, con R-1. romo di gilal, usando FS K bin:uia. Alltansmi,ir infonnociÓll dígitol de sei'lalizaciÓn. se inhiben 18.\ trnnsmísioncs de V01~ A C"StO se le llama sl/enr;io y ráfaga: la vor. se 5ileocia y se trnnsmiten los dato5 cn una r:ifaga CMIL 1I1 fm:ucnd a de bits de la infonnac:ión digital es 10 ltbps . La fig. 20-% rm.lestro el formato de señal ización de canal de " oz para un canal de "oz en se nt ido directo. y la fig . 20-9b muestra d fonnmo para cl canal de sent ido inverso. La secuclICia digital de ~i'lal¡ZllCión romienza con una secoc:nda de 10 1 bits de pumos quc preparo al receptor a recibir informaciÓl1 digi lal. Dc$~ de la secuencia dc puntos se manda una palabra de sillCTQnizar;ión pal1l indicar C"I inicio del ITlC"nuje. En el cana l de , '0 7. en sentido d irecto los mensajes digitales dc scñali1.ac::iÓII se repiten II ' ·eces. para asegurar su intC"gridad. y cn el canal de recepción se ~pitcn 5 \'tcC"s. El canal de sentido directo u~a pal abras de 40 bits. y d canal de sentido inverso usa palabras de 48 bits.
Tonos de audio de supervisión y sel"lalización MiC"ntras se esL1n usando los canales de "Ol hay dos procedimientos adidonalc.~ que se usan pant ma ntener la supervisión entre la unidad móvil y la eslllCión ba,<;e; 10110 II~ fIIJlIiQ d~ supr:n'isión (SAT. de supr:n';SQry (lIu/io lonr:) y ellOno d~ stñoliwd6n (ST. de siglulling 101l~). Los SAT se usan p;lroI a.<;egurur la cOIIfiabilidad de las romuni<:aciOlQ de \"01.. Los transmite la esmeión base y ID. unidad móv il los manda de n::greso. Si e l SAT coincide con el SAT tr.l.nsmilido. la unidad
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OOTl • S.cueneQ de puntOS de 101 bits D012 • Secuencia de punlOS de 37 bit, SYNC . Palabra de tincrorUadón WN . Palabra de meosaje (N) N • Cantidad de palabras de menaaJ- repetidas (b)
RGURA 2{).9 Formato de canal de 'o'Oz: fa) canal de
EE iQij
diiecto; lb] cenoI de a2 Cido ""uso
móvi l sabe que es,' . ¡nlonizada a la eslllción base corrtCla. La~ sella!es S AT son tonos analógicos de 5910. 60000 6030 HL La eslacioo base transmite: en rorma coolinulI uno de los tres SAT en cada canal activo de VOl.. Los SAT se M'lbrrponen a la !iC1'Ia1 de VOl en los enlICes de sentido directo e in,'erso. En las ctluhu que contienen mú de una estación base. los SAT identifican el luglU' de 111 r~tac;ón ba!;e espa:íticu pan detc:rminado canul. y 5100 asignado!! por el centro de conmutación pam cada ll amada. El tono de: seftl1li7.ación es una rúraga de datos de 10 kbp5. que inicia ulUllcrminacióll de ll amada por parte: de la unidad móvil. El 1000 de Kllal de nunl.luje defin de lIanltlfila c:on.~istec:n
Seroicio talef6nico m6vi1
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El recepcor de la fiS. 20-IOcs de tipo supcrhcterodino de doble conversión. Usa inyección por el lado de alla y un ciKuito de oscilador local fonnado por un sin tetizador de frecuencia de un solo chip con un preescalador y filtro de laro a bordo. y un veo (oscilador controlado por voltaje) de 91S a 937 MHz (4S MHz aniba de la RF de llegada). La primera FI (4S MH z) es suricicntemc:nle alta corno pIlnI impulsar la frecuencia de imagen mucho allá de la banda de paso dellil tro pn:amplificOOor. y la segunda FI (4SS kH 7.) es lo bastante baja como para ampli. r.carse lo suficientc y IlI;ti var el detector de FM. En el transmisor. la sellal moduladonl sc aplica en forma directa al v eo de l transmisor para producir una sellal de portadora directa de FM de re hui\'llITlCnte baja frecuencia. que se mult iplica y después se amplifica en forma apreciable. antes de llegar a la antena de transmisión. Nótese que el miclOp.OCi ' vlar tiene: ICneas de OOfltrol a cada bloque funcional principal del tr.uls.iStor. El microproccs.adordrtemlina lu frecuencias en las salidas del sinteti7.ador de frecuen· ci:t. Tlmbitn vigila la salida del deleCtor de FM para detc:nninar la ealidad de la !OCllal recibida, y para detectar la infOl"T1\aCión recibida de prt"p3l1ICióo. Tambit n. el miCIO'" ocesador ",,,,,,,,,,'Ciona informacjón de pi'q)al'lCión al InInsmisor y OOflU"Ola la ganancia del amplificador final de poct:llCia.
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TELÍFONO CEWlAR DIGITAL Las empresa.~ telefónica.~ encaran el problema de una base de clientes que se amplra con mpi. del, y al mismo tiempo el CSpc:cll"O asignado de frec uenciu pc:nnancce si n cambios. Como !OC descri bió. la capacidad de usuarios sc puede ampliar subdivid iendo lu ctlulas existentes en sub· « lulas menores (es decir. por di \' isiÓll de ctlulas) y modificando la distribución de la radi ación de las antenas (C!i decir. por sectonl.adón). Sin embargo, el grudo de: subdivisión y redireccionamiento está limitado por la complejidad y la cantid.'Id de sobrecarga necesaria patlI procc.sar las tr:msfcrcncias de lIomada entre ctlull15. Otro restricción grne es el costo de compra de terrenos pata sitios de ctlula en las mas de máxima densidad de tráfico. AMPS fue un sistema telefónico celular analógico de primer.!. generación que no estaba di5oCflado para manejar las demandas de: gl1lll capac:idaddel mundo moderno, en especial en mas mctropo1i\.:lJlas de gran densi dad. A fi nales de la db.:3da de 1980 varios de los fabricantes prin· cipalC!i de equipo celular dctenninaroo que los sistemas de teléfonos celulares digitales podrian pcnnitir mcjorai sustanci:des, tanto en capac:idad 00100 en funcionamiento. En consecuencia, se: di50Cflóel sislema et/u/ar Digira/ dt Es/atlos Unidos (USDC, de Unilt d SIa/tS Digiwl Ctllular), que se desarrolló para ItIltar de sostener una mayOf densidad de usuarios dentro de un C!ip:c1tO fijo de: frecuencias. El sistema USDC es compalible con el esquema anterior de asignación de frecuencias AMPS. y se: diseM paro. UW" las mismas frecuencias de ponad!n.. el mismo plan de rcutilizac:ión de frecuencias y las mismas estaciones base. En consecuenc ia. las estaciones base y las unidades m6vi lC!i se: pucdc:n equipar con canales 111.010 AMPS oomo USDC dentro del mismo equipo telefónico. Para manejar ambos sistemas. las ponadoras celulares pucdc:n proporcionar teltronos US DC a los noc vos d ien tes. y al mismo tiempo p!lC(kn propcm;ionar servicio a los clknlcs actuales con teltfonos MIPS. El sistema USDC mantiene la compatibilidad con el AMPS de vanas manc:nlli. Por esta causa. USDC tambifn se cooocc como AMPS digital (O·AMPS). En USDC se usa lICl;CSO múltiple por división de tiempo (TO MA) que. como el FDMA di\'ide: el espectro total de: rudiofrecuencias disponibles en canales individuales. Sin embargo. en roMA se sillOCdividiendo cada canal de rudiocn ranuras de tiempo. una patll catla usuario. En los sistemas FDMA !OC asi,na un canol a un suscri plOl' dunmlc ~u llamada. Sin embat¡o, en roMA los suscripcores con unidades móviles sólo pueden "mantener" un canal mientra! lo están usando. DunlJ1tc t:n pausas u 0(rU~ intClTUpcioncs normales de una COf\\'ersación, otras unidades m6vi lC!i pocdcn usar el canal. Esta t!!cnica decanalcs de /itmpocomfXl"idnaumenlll en forma importante la capac:Klad de un sistema, pe' ",itícndoqoc lo usen más su~ ",ores con unidades móvi\e¡ en detenn in3da área geográfica. Las \'entajas de los sistemas digitales roMA de acceso múltiple sobre los FDMA nontIIIles son lu siguien\C!i: l . El inteKalamicnlo de Illucstrase n el dominiodelliem popc. I"ite un aumeOlode la can.idad de suscriptores que usan un solo cana], al tri ple. El tiempo companido se realiza
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Servicio telefónico móvil Mat~rt'll
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el sistelI\ll AMPS. La CDVCC es un mcm;aje de 12 bits trnnsmititlo e n cada rnnul'".!. de tiempo.)' consiste en un número de cód igo de colordc ,'oz di gital de 8 bits , de I a 255. seguido por 4 bits ildi cionlll~ de codificación obtenidos de un cód igo de Hammi ng aconooo. La eslación bas.e trnnsmite un número CDVCC en el canal de vw. de se rl\ido directo. y lodo unidad mó vil que usa el canal TOMA debe recibir. deaJdificllr y retrnnsmitir el mismo código CDVCC (de reconoci· miento) de regreso a la eSl!lci ón ba5C. por e l ca nal de "Ol de se ntido invcrso. Si los dos val~ CDVCC no son iguales. se cede la ranura de tiempo a OIros usuarios. )' c:ltransmisor de la uni · dad móvil se apaga en fonna autom:ltica. Canallw lo pan conlrol ltSOC iado. Este SACC H es un clUUll de señalización para trans· mi tir mensajes de C'OOtn:ol Y ~upervisión entre la unidad digital nloÓvil y la estación base. mientras la unidad móvil está ocupada con una llamada. El SACC H usa 12 bits codificados por rMaga TOMA.)' se IrUnsmite en cada rnnurn de tiempo. proporcionando asl un canal de señali7.ocióo en paralc:lo con la información digil:llizada dc V01_ Por consiguiente. los mensajes SACC H se poeden transmitir si n intl-rl"etir con el pmcesmniento de scA:lles digitalizatl?s de: \"07.. Como el SACCH sólo consiste en 12 bits por trnlna. se: pueden nroesitar luma 22 tnllTUlS par.!. trnllSmitir un solo men· saje SACC H. Este c!UUll condltCe dh'en;:¡ in formación de control y de supervisión entre la unidud mó"i l y la cslOCi6n ba.'iC. por ejemplo. Jos cambios de ni\'d de: pOIencia de comunicación )' peti. ciones de tr.msfcn:ncia. Tambi~n se: usa e l SACC H en la unid.:ld rOO\
Codificaci6n de voz La lig. 20- 12 muestro. e l d illgrnma de bloques de un codirteltdor de VOl USDC de can al digital de \"01.. El oontrol de e l l.....-es de cllnal p¡u-alos datos dig italil.ados de: 1'01. usa trt$ mccanis nlOS para minimiur esos e rrores: 1) 5C usa una frecue ncia igual a la mitad del código oon\'enc iona! ¡r.Jrn proteger los bits más \"IIlnerubles de la corrieme de datos del codi ficador de l'Ol: 2) los datos transmitidos se: intercal an para cada trama de codificador de VOl en dos ranurus de lie mpo. par.!. n::tIuci r los efectos dd tk:lvanecimknto de Raykig.h. y 3) se: ejecuta una comprobación de: redundancia clclica en los bits m:l.s imponantcs. desde el punto de vista de pcrcepció n. de los datos digitali7.ados de V01.. En el sistema USOC. las seila les analógicas de I"Ol que llegan se mucSITCan primero. y a l"OntinUllCión se co'l\"i.:nen a una PCM binaria en un codificador I/e '-0:;: especial. llamado coJifi· cUllo, lineal pff'dicli.'O di! $/1100 '"t'Cloríal rxciUl¡/011J (VSELP. de '"«10' sum acile' /ini!/lT pff'dic· li.·e). o codificlIllo' liMIII""./liclÍ\·o dr rxciwción r.llocdsliCl1 (S ELP, de $cochaslically t!.ldlrd Unrur p rt'diclil"e). Los codi fic:r.don:-s lineales predi ctil"os usan cOOi ficadores de VOl en domin io de l lie mpo. que tratan de utrner las car3CtCl'Ísticas más importantes de la forma de oodn de \"Ol
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Ca pítu lo 20
Mat nal protegido por derechos dfI aL'!')r
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pert:eptuales
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7 bitS CRC
5 bita de cola
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Codificedor
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Codjf"oc'dor
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t78bi'cod~1caOOs dase t
de ¡apldez 1/2
B2 bitS dase 2
FIGURA 20-'2 Codificador de voz
C¡IC:U~O
de c:ifr&do de vo¿
,.,
..
Intll/Clliadof I 260 bita de .2 IaIlI.IIU I Al
uso:: de cona! digUl de IIOl
vwiable en el tiempo. En estos codificadora, es posible "~n smitir voz, con buena calidad. a 4.8 kbps, Yuna \-o;¡: aceptable, aunque de menor calidad, a mc:norcs frecuencias de biu. Como hay muchos órocnes prc:dccibles cn los patl'OllCS de con\'elUCión, es posible, mediante algoritmos avanzados, comprimir las muestras biruuius y tronsmitir la comenle de bits que resu lta a una velocidad de 13 kbps. Un consorcio de empresas, que incluyó a Motorola, desarrolló el algoritmo VSELP, que a continuación fue adoptado como norma 15·54, Se agn:gan bits de del~ccj(jrl yeorm:ci6tl de ~rrvrrs (EDC, de errvr·deteC/;QII (",d C/JrTtctitm) alas sei'ialc:s de VOl; comprimidas di gitalmente, para reducir los efectos de la interferencia, llevando la ,'elocidad final de dolos de \'01. a 48,6 I:bps, Las fundonc:s de compresión y e.tpansi6n y de detección y co¡¡ección de errores se realilan en el ap;uato te:lc:fónioo mediante: un microprocesador especial. llamado procesador digilal de señalel (OSP, de digital sigMI proctlSor), Los codificadores VSELP tienen salida de 7950 bps. Yproducen una trnma de VOl elida 20 ms, es decir,
7950 bits X 20 rus '" 159 bits por trama segundo truma Cincuenta tramas de voz salen cada segundo, con 159 bits cada una. es decir, 50 tramas X 159 bits _ 7950 bps
segundo
trama
Los 159 bits incluidos en elida trama de codificador de VOl; se dividen en den clases, segun la importancia con que se perciben. Hoy n bits de clase 1 y 82 bits de clase 2. Los bits de clase 1 50n los m:i.s imponantes y. en consecuencia, se protegen conln errores, Los 12 bits mb significativos de clase 1 se codifican en bloque mediante un código de detección de Ci .Ches CRe de 7 bits. pan! asegurar que los bits más significativos del codificador de VOl se decodifiquen con baja probabilidad de error. Los bits declase 2, mtl105 significativos, no ticnc:n forma de protegCfK contra errores. Después de codificar los Ij9 bits. cada II1lma de código de voz se conviene a 260 bits rodificad05 de canal por tr.una. en un codirlCnrlor de oonvolucional de r:1pidcl; 112. Yse lrlLnSnútcn .50 tramas por segundo, Porconsiguiente. la velocidad de transmisión de bits aumenta de 7950 bps para cada canal digital de , 'Ol, a 13 kbps,
260 bits X .50 tramas "'" 13 kbps troma
segundo
La fig, 20-13 muestra la ranura de tiempo y el formato de \r.Ima para los enlaces de sentido directo (C'Stación base o unidad móvil) e inverso (unidad móvil 11. cstación base) de un cruJal
88.
Senlicio telefónico mOvíI Mat~rt'll
protegido por der~hos dE' 'll
I I Gl
RSOSOVSOWSO)(SOYS
I G2 1
G1 . tiempo de protecCión de 6 biI, R
•
tiempo de rampfl de o!I biU de
Iong~ud
S • palabra de airoaOollzadón de 28 bits O •
código CDVCC de 12 bits
G2 ..
Il&inpo de pro4. (Ic'>¡, de « bits
V
• 0000
w •
OOOOOOOO
FormrIto de canal de voz digital con rMaga ecort8do uso: FlGURA 20-14
y
- ()()()()()()()(
móvil transmite ranuras de ráfaga acort.ad3.. hasla que la cstaCión base determina el desplazamiento requerido en el tiempo. El retardo p~tem,in!ldo enttt' las l'IIlIuras de: recepción y tranSmisión es de 44 símbolos, que da como resulUldo una distancia múima de 72 millas paro una «lula IS-S4. a la cual una estación móvil pueda operar en la «lula.
Esquema de modulaciOn digital USOC Par.a lograr lana velocidad de transmisión de 48.6 kbps en un canal de V01: AMPS de 30 kHT.. 5C requiere una ~ftcjtncia dt ancho btmda (t!~c"aIJ de I ,62 bpslJ'[¡~, bastante lejos de las posibilidades dc la FSK binaria. Los requisitos de eficiencia espe<:lrul se pueden aJe.nlar usando esquemas convencionales de modulación de 4 fases. de pulso conformado. romo QPSK y OQPS K. Sin embargo. los canalcs USOC dc \'Ol. Y de control USIlI1 una tk nica de mod14ladón por ("011mutadón dt fast, slmilrica diftrtncial. llamado DQPSK "11"/4. o modu/acum por COtImutarión cuadrifdsicu dife rtndul-rr/4 (DQPSK). que ofr«e varias venlajas en un ambienle de radio m6vi l. como mejor rechazo de canal comtln y mejor eficieocia de ancho de banda. Para una ve locidad de dalos de 48.6 kbps se requiere una velocidad de símbolos (hauds) de 24.3 kbps (24.3 kilobauds por segundo), con duroción de sfmbolo de 41.1523 jLS. El uso de conformación de pulso y de DQPSK "11"/4 soporI.a la trnnsmisi6n de tres !¡dlales digilalizndps de VOT.. dislintas. de 48.61.:bps en un ancho de banda de 30 1:Hl.. con aislamiento de c:maI !ldyaccnle hasta de ~ d8. Por lo anterior. la eficiencia de ancho de banda cuando se usa DQPSK Tr/4 es
.. 4.86 bpsIHz
siendo TI 13 eficieocia de ancho de: banda. En un modulado.- DQPSK Tr/4. los bits de datos se di viden en dos canales parolelos que producen un desplazamiento espedfieo de fase en ha portadora analógica y, como hay cualropares posibles de bits, hay CUlllro desplazamie ntos posibles de fa5C si se usa un modulooor IIQ en cuadratur.l. Los cuatro cambios diferenciales posibles de f:l5e 500 Tr/4. - Tr/4. 3Tr/4 Y - 3-rr/4, y definen ocho fases posibles de ponodool. LII oonfom1llCión de pulsos se usa para minimiUU" el lIocho de banda y .1 mismo liempo limila, la ;nlcrf."."nc;o entre sfmbolos. En el lrunsmisor se filtrula sefial PSK con un fil tro coseooidal elevlldo de rafT. cuadrada. con factor de alenu3l; ión progresiva de 0.35. Las sei\:tles PSK. después de la conform ac ión de pulso, se pasan por una t~c· nica de modulac ión lineal. que requiere amplificación lineal paro ~'Onservar la fOlTn:l del pulso. El uso de conformación de pulso con DQPSK Tf/4 permite 13 transmisión simultAnea de tres selIales de VOl sepill1Wus. de: 48.6 " bps en un aocho de banda de 30 kHl.
Canal de control digital USDC El canal de eonlrol di gitul es complejo, por necesidad. y ~u descripción eompletp sale del alcance de este libro. En conse<:ucncia, la siguiente descripción pretende: ser una perspectiva gefll'r.ll del funcionamiento de un canal de control digital USOC. Servicio telefónico móvil
B9' Mat rnl protegido p?f derechos dE>
"11 t ....r
Como se dijo Mtes, la JlOO11lI 15-54 espetifiea tres d ll5d de ean:!.les: analógiC'Q de «miro!. :malógico de VOl. Yun canal de control digital FS K binario de 10 kbps (OCCH, de digi/al coo/ro/ dumllel). La DOm1.3 15-S4 Rev. C (15-136) meociona las mismas tresdases de canales, y una ruarta: un can:ll de oontrol digillll oon una frecuencia de se:ñaJilllCiÓrl de 48.6 kbps. en los canales de control elldusivos de USOC. El nuc:vocanal de control digi tal pretende n:emp hll.:IJ, al final , al canal de control analógico, Al agregar un eWUlI de control di gi tal. un¡¡ unidad móvi l puede fUIlCKxw por completo en el dominio digital: usar el canal de control digilal pan seleccionar 5istema y C(!lula. y para entr-.ld¡¡ a canal. y el canal digital de V01. paf'J transmisiones digitaliudas de V()X. La 15-136 detal la la func ion¡¡lidad txocta del canal U5DC de control digi tal. La \'ersiÓll inicial de la 15- 136 fue la versión O, que de desde entooces se ha actualiz.ado por la revisiÓll A. La yeDión O agregó muchos servicios y funciones nucvos al sistema tcJefóniro celular digi tal USDC, incluyendo tnlIy(K'CS servicios al usuario. romo mensajes a mos y prt:Scnlación del nú' mero telefónico de la llamada que entra, modo de reserva. que pcnnite una ma)'O!'" durnción de baterfll$ del apanto telefónico cUllI1do no se use:. servicio de sistema privado o residencial y mayor seguridad y validación contra froudes, La versión más recientc de la IS-136 re\'isiÓfl A. fue dcsnrrollada par.t proflOfCionaf tanlbi~n muchas funciones y servicios nuevos, al introducir un codirlCador ampliado de voz. aclivaciÓn al vuclo en donde se pcnnite que los opcrudores de la red programen información en los tcl~fonos en fOl'lTla directa por el ain:. ident ificación de nom~ )' número de quien llama. mayO!'" libertad de manos y acceso prioritario a los cMales de control . En la norma 15- 136 se especifican varias funciones de grupo para usuarios privados. que se adaptan bien u aplicaciones PBX inalámbrica y aplicaciones de \'oceo. Sin embw-go.las terminales de usuario 15· 136 funciolltlll a 48.6 kbp;¡ y. en consecuencia. !lO son compatibles con las terminalc$ FSK IS-54. EnlOncC!'!. 105 módcms IS- I36!iOn nlás ren!ables, porque sólo es necesario incluir el módcm de 48.6 kbps en el equipo de teoninal, Canales lógleos. El Ilueyo canal digi tal de control incluye \'arios C'mJa/~s Idgicos con diSlinw func iones. como el C'tlllal d~ I/(Tew al~lllorio (RA CH. de rondom O«tU r.hanntl): S MS punto a plinto, \'DUO)' r./IIIIII dt 'Upll~SIll de aoceso (S PAC H. de SMS point' la-point, pog;"g l/mi acress rtsponu r.hantld): el C'anal de tontrol d~ ..misi6n (BCCH. de brotJl1ttlSI comrol dUl1llltl) y el canal de "",roalinu-ntacilÑl~" cal1ill campanida (SCF. de shnred chann~1 ft'tdbtICIt). La fig. 20- 1S muestr.llos canales 16gicos de la nOlma IS-l 36. CQnQI de QUtso QltQ/Qrio (RACII). Estc canal lo usan las unidades móviles para pedir occcso al sistema telefónico celular. El RACH es unidin:cciooal. especificado sólo pan tnlI\$misiones de unidades móviles a base. Los mensajcs de IlC'CCSO, romo origen. registro. respuestas de voceo. confirmación de auditoría. número de serie y confinnación de menSlje 51: In!.nsmiten por el canal RACH. Tambi~n trnnsmile mensajes que proporeionan información sobre validación. aclUali7.aciones de panlmctr05 de seg uridad y u nicio de mtnsqjts CQrfas (SMS, de
RACH ____~~~'~ ·~'~~~·,~.. ~·~"~·"~·~m~;~ ! ~~~c'
__.,
SPACH ••~----------------------
PCH ~, -----------AACH ...,_ _ _ _ _ _ _ _ _ __
SMSCH ...'---------------------____________________
OC
~.
F·BCCH ••- - - - - - - - - - - - - - - E·BCCH ••
~---
_ _ _ __
S· BCCH ...,_ _ _ _ _ _ _ _ __
SFC ...,_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ___
892
fIGURA 20-15 Canal de contn:JI digitaI usrc 15-136: canellOgico y subc&naIeIJ lOgk ..s
CapibJlo 20
Mat rnl protegido p?f derechos da ':lut')r
SM" "U!tsag~ som 'ice) de punto a punto. Eslc canal puede fuociooarcn dos modos. CQI1 re$OluciÓll de contención parecida a los canales de VOto TllRIbién puede funcionaren modo de rt:Jen'Qci6n. p=I responder a una orden eJe la estación base. C"nDI SlttS punID ti punID, IYJctO J rtsputSID. dt aun o (SPACII). Se usa (Xll1ltrans· milir información desde hu cSlacione,~ base a esUlciooe.~ móvites especifica" El RAC H es un canal unidireccional. especificado para transmitir sólo de estaciones base a unidades móviles. y lo rompaneo todas 1;1$ unid-des móviles. La infonnación transmitida por el canal SPACH in· cluye !teS subcanaks lógicos scpar1ldos: ",t nMju SMS pllnlQ Q punID, mlnJaju de I'(I('ttJ y m,n·
uVes de I'tSpUtlUl de at'UIO. Este canal puede llevar mensajes relacionados a una sola un idad móvil o a pequeftos grupos de un idades móviles. y penn itc d ividir mensajes lIUIyores en bloque, •
más pequei\os para su rransmisiÓfl. El canal dt l'OCeo (PClI. de ptlging chan".'¡) es un subcanal del ca/llll lógko de l SPACII. El canal PCH se ded ica a U'lInsmitir búsqued:ts de person:u y órdenes. Tronsmi te mtmstljl'S d~ \'OC~o. m~"saj~sd~ m~lI!ilIj~ ~" tsptra y m~"s"j~s de "/~rta al usuario. Cada mensaje PCH pue-
de llevar hasta cinro identific:Won:s mÓvilc:5. Los mensajes de \"(x:eo siempre se transmiten y a continuación se repiten una segunda \·el. Los mensajes como aClunlizacioMS de ro",eo e historial de ffo l/liUJas y ucfunli:.acionu d~ dalOs sarrIOS compartidos que se usan en ~ de validadón y de cifr.xto tambif n se mandlUl por el PCH. El c(lnol d~ rrspu~slO d~ occuo (A Re H. de occ~JS response chan/ll'f) tambif n es un subcanal l6gico del SPAe H. Una unidad móvi l se pasa en romm automática a un ARe H de inmedialO. al completar el acceso basado en contención o reservación en un RAeH. El canal ARe H se puede: usar p:1Jl1 lleva.r asignaciones a otro recurso u otrns respuestllS al intento de acceso de la estación móvil. Los mensajes que asignan una unidad móvil a un ClInal analÓgico de VOl" a un canal digital de vo .... o que redireccionan la unidad móvil a una « lula distinta, tambi!!n se mandan por el ARe H,junto con mensajes de registro de acceso (aceptar. rechazar o li berar). El canal SMS o SMSeH se usa p:1Jl1 entregar mensajes conos de punto a punto a una cstación móvil especlfica. Cada mensaje se li mita a un miUimo de 20 caracteres de: texto. El SMS originado en móvi l tambi!! n se soporta; sin embargo. no se soporta el SMS donde una estación base puede: emilir un mensaje cono dirigido a varias un idades móviles. en la norma IS- 136. Canal de control de emuüJn (RCCII). BeCU c:5 un acrón imo que iCI"'c:5enll1 1O$ canales lógicos F-BeeH, E- BeeH y S-BeeH. Estos canales se usan paro conducir infOlTTlaCión genrnca. relacionada con el sistema. El BCCH es una transmisión unidireccional de la estación base a la unidad móvil. que comparten todas las unidades móviles.. El a mal de con/rol de "misión rápida (F- BCeH) emite parámetros de estnJctura del canal digital de control (OCe H). que incluyen información acerca de: la cant idad de ranu ras de tiempo F·BCCH. E-BeeH y S-BCCH. en latTama OCeH. Las unidadc5 móviles usan la lnformación F-BCCH cUlUldo enU"an por primero "el: al sistema, para determinar el inicio y final de eada canall6gico en la lr.im3 DCCH. Tambi!!n, el F-BCeH inc luye información acerca de los parámetros de acceso. con la inrormación nc-cesaria para validación y cifrados. e información de: los intentos de acceso de la unidad móvil. como la cantidad de intentos de acceso del número. ta maoo de la r.i raga de acceso. nivel de potcncia en acceso inicial e indicación de si la cfl ulll est6 protegida o no. También. por el cpnal F-BeeH ~ manda información SQbre los distiniOS tipos de registro. periodos de re gistro e ide ntificación de l sistema. incluye ndo el tipo de: red. código fiÓ,'il de pals y revisión de protocolo. El oonul d r con/rol de rm;,,;,oo <'.Xlrrulitla (E-BCCH) IIc:VII inrormación de nodiod ifusión me005 critica que el F-BCCH, dirigida a las unidtldes móviles. El E- BCCH condocc información occrea de las CCk1a5 vecina.. analógicas y TDMA. Y mell5ajes opcionales. como infonnación de emergencia. mensajes de hora Y fecha. y los tipos de servicios que soportan lu cl!lula.s vecinM. El cann f de con/rol de emisión SMS (S- BCeH) es un canal lógico para mandar mensajes cortos a unidades móviles individuales. C_nal th rttroaliJnl'nuuüJn ClJnrpartida de ctuUJJ (Se,.'). Este canal se usa pat1I SO!.ollar la opc:rnción de: canales de a¡;:ceso alcatorio. plOporcionando infonnaciÓll occrca de cuáles ranuras de ticmpo de la unidad móvil se pueden usar ~ intenlOS de acceso, y uunbifn si la tranSmisión RAe H anterior de la unidad se recibió bien.
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Set-vlcio telefónico móvil Mat~rt'll
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El canal infcrior COMA en la banda A está en el cOO3128] de AMPS. Y la portadoru ¡"feriorCOI'oIA en la banda B está en el canal ] 84 AMPS. Como la banda disponible entre los canales 667 y 7 16 sólo es 1.5 Mlb. e n la banda A. los operadores de oonda A debcu obte~r autorización de las portadoras de oonda B. para usar una ponadora COMA eu esa ¡xute del cspectro de frecuen tius. Cuando una ponOOOl1l COMA se está usando junIo a una portadorn no dc COMA. la distancio de portadoras dcbe ser 1.77 MH:t. Hay hasw9 portadontS COMA disponibles para el opemdor de banda A y B en el espectm de frecucncillli AMPS. Sin embargo. losopeOldon::! de oonda A Y B tienen un ancho de banda de 30 MHz en la oonda de fn:cuem:ill.~ PCS de 1900 MHz. tlonde pueden propo""i onar hasta 11 canales COMA. En el ~ istema CDMA. muchos usuarios puede n compartir canales cOlllunes de Ir:lnsmisión y recepción, con velocidad de transmi sión de datos de 9 .6tbps. Sin embargo, COfl tiertllS tfcnicas. la información de l usuario se di spcrsa con un faclor de 128 hasta una \'c!oc:idad de pu lsos del cllnal de 1.2288 Mpulsosls. y los canales de tl1losmi sión y t"cpeión us:m distintos procesos de dispersión. En el canal de senlitlo directo se codifican los datos dc l suscriptor con un código de In eonvolocional de rapidez. intercalado y difundido por I de 64 secucnc:ias de difusión onogonal. usando funciones de Walsb. Se mantiene la onogon.al idad entre todos los suscriptores en el cana l cel ular de sentido directo dentm de determinada célula. porque toda.~ hu: senales de la célu la se desorganizan en forma sfncmna. Los canales de SCTltido in'-aso usan una estrategia distinta de dispersión. porque la sellal recibida porcllda unidad móvi!toma una trayu:toria distinta de transmi sión y. en consecoencia, llega a la estación base e n un tiempo distinto, Las comentes de datos en el canal de sen tido in· ..elliO se codirlcan pOlIlCTO en forma COIlvolucional con un código de coomlución de mpidel. de In. Dc:sptM!s de interca larlos. cada bloque de seis símbolos codificados se di stribuye en una de las fuociooes onogonales de Walsh diilJlOllibles. asegur:uxlo una señalil,oción ono¡;onal &l-:uia. Se hace liRa dispersión adicional de cuatro veces con códigos espedficos de suscriptor y de estación base. oon periodos de pulso de zO: - 1 y 2 13 pulsos. rcs¡x:ctivamente. con lo que aumenta la velocidad de transmisión a 1.2288 Mpul sosls. Se imponen estrictos requi ~ i tos en la potencia de transmi siÓll del canal de sentido inverso. par:l evitarel problema cercano· lejano causado pordi,'ersos ni\'eles de potencia de recepción. A elida unidad móvil en determinada celda se le asign a una secuencia única de di spersión. eun lo que se a5CItUnl una ,;cp:>.rac:ión casi pc:rfc:c:ta entre la! sc:flales de distintas unidades de suscriptor. y se pennite difereociar trans misiOOell entre usuarios. TodllS las sellales en detenninacJa célula se de:wrganizan medi ante una secuencio pseudoalc:atoria de 2 1' pulsos de longitud. As' se: red uce la interferencia de rndiofTCl;uencia entre unidades móviles en celdas vedna.~. que puedan estar usando la misma secuencia de di spersiÓn. y se propon:ionan las caruclCTÍstieas e.~pc:ctrale5 deseadas de banda ancha. aun cuando todos los códigos de Wal sh no prod u:u-an un espectro de potencias de oonda ancha. Hay dos t&:nirns que se suelen usar pant dispersar el C:S¡X:Clro: wllO (ocanrbio ) defrrcut'nd./I y s« ut'm:i" dirt!cla. Las dos SOIl cnrncteristicllS de tl1ln smisiOllCS por un anc:ho de banda mucho mayor que el que nonnalmente se usa en los si~tc:mas telefónicos celulares I-l)MAlTDMAde banda angosta, corno AMPS y USDC. Para conocer una descripción más dettlllada del cambio de frecuencia y de l StCucociamiento directo. véase el capit ulo 19. Dlspcnlón del ts!)Klro por cambio d e !'recoe nda. Es te sistema se usó por primera vez en aplicac iones mil itares. para asegurar co municaciones confi ables si n interferencia en un ambiente de campo de batalla. El concepto fundame ntal del cambio de frecuencia es divi dir un mensaje en bloqUQde datos de ttunailo rijo. y transmitir cada bloque en secuencia. pero en distilll1lli rrecuencias de pot'1adota. En los salto¡; de r rrcucncia se U,'>lI un código pseudoaleatorio para generar una secuencia única de saltos. La secuencia en que se se lu:cionan las frecuencias debe ser conocida por eltrJnsmisor y el receptor. ¡u¡tes de in iciar la transmisión. El transm isor manda un bloque en una portlldoru de I1Idiofrecucncia. y a continuación cambia o salta a la si· guiente rrecuencia de la secuencia. y asr sucesivamente. Después de recibir una recepciÓn de datos en una frecuencia. el receptor cambia a la siguieme de la secuencia, Cada tran smisor del si5terna tiene una secuencia di stinta de cambi os. p.1ra evi tar que uu suscriptor interfiera las tr:ln smisiones de otros suscriplores que usen la misma frecuencia de canal de radio.
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Cepitulo 20 Mat~rt'll
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ObpersJ6n de espectro por ~uencill dlrtcta. En los sistemas de s«uendll directll se agrega un código pseudoaleatorio ron atta veloeidad de bits. a una sei\al de información de ba· ja velocidad de bits. pan! generar una sei\al pseudoaleatoria que se parece muchoal ru ido. y con· tiene t.atuo la sei'tal de datOS originales COIl1O el código pseudoaleatorio. Tambitn aqu( e!Ji nece.sario que el transmisor y el receptor OOIlOJ'.can el código pseudoaleatorio. Cuando un receptor detecta una Inuumisión de secuencia directa. sólo re.sta la senal pseudoaleatoria de la senal re· cibid!!. compueWl. p;¡ra extraer 1Q5 datos de infOfTllación. En los sistel!la$ telefónicos celulares COMA. el ancho de banda de radiofrecuel"lCias total se divide en unos pocos canales de radio de banda ancha. cuyo ancho es mucho mayor quc la sei'lal de VOt digitalizada. Esta sei'lal digitali· tada se suma 11 la senal generada de alta frecuencia de bil.'l Yse tr.lllsmite en tal fonna quc ocupe toda la banda ancha dd canal de nidio. Al sumar ulla sei'lal pset>dooktoria de alta frttuencia de bil.'l a la información de voz hace que la senal sea más dominante y menos susceptible a la in· teñerencia. permitiendo una trunsmisión de menO!" potencia y. en eonsecuencia. menor tantidad de transmisores y receptores menos costosos.
Canalas da tráfico COMA Los canales de tráfico COMA consisten en L1n tanal de sentido in~'~oenlace descendente (es· tación base 11 unidad móvil) y uno de enlace Il5Cendente o de sentido directo (estación móvil a estación base). En la fig. 20-17a se ve un canal de tráfico de enlace descendente. Se ve que ese canal consiste en hasta 62 canales. que ineluyen Lino de radiodifusión. usado para control. y ca· nales de trtfioo para lIenr infonnación de suscriptor. El eanal de radiodifusión consiste en un canal piloto. un canal de SiJklOllización. hasta siete canalcs de voceo y haslll 63 eanales de tráfi. co. Todos estos canales comparten la misma asignación de frecuencias COMA de 1.2S MHl. El ClInal de tráfICO se identifica con una ~ncift distinta de código largo. y aipCCffica del usuario. y cadll canal de acceso se identifica con una secuencia distintft de código largo. El canal pilOtO está incluido en cadll ctlula. con el fin de propordonar una sei'lal pana que use el receptor en la adquisición de sincronilllCión. y proporcionar una referencia de fase para demodulación cohaente. Tambitn lo usan las unidades móviles para comparlU" las intUls¡,1"des de senal entre cS!aCiones base. y determinar cuAndo se debe inidar una transfere ndB. El canal de sincroniución usa un código W.lsh W32. y 111 misma secuencia pseudoaleatoria y desplazamiento de fase que el canal pikMo. I",.tIiÍlic!ndole ser demodulado por cualquier receptor que pueda adquirir la sei\aJ piloto. El canal de sincronilllCión difunde mensajes de sincronilllCión " las unidades móviles y funciona a 1200 bps. Los canales de voceo conducen información de la estación base .Ia móvil, como porejemplo. mensajes de parárnc:trode sistema ocie vctso. mensajes de lislll de canales COMA y mensajes de asignllCión de canal. Los canales de \'oceo son opcionales. y su cantidad puede ir de 0.7. Se usan para !nl.nsmitir información de control y
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ele trálW:o 62
Varloble (55 a 62)
OpcIonal y variable (O a 7)
(.)
""'"
""""
deaceeso 1 de 111:1; no 2
........
""""
ele acuso 32
""""
.. . . .... ea...
ele tr'liexI 1
do""'" "
Variable (31 e 62) (b)
RGURA 20-17 Canales de trarlCO 15-95: (a) enlace en sentido descendente: [b] IIOIIICft en sentido
escendenta
Servicio telefónico rn6vi1
897 Mat~rt'll
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mensaje! de voceo de la estación base a las unidades móviles, y puede fuocionar a 9600 bps, 48lX} bps o 2400 bps. Un solo canal piloto de 9600 bl'S puede soportar, en forma caroctcrb lica. unos ISO VOCCO!i por segundo, haciendo una capacidad total de 1260 voccos por seg undo. Los datos del tráfi co en el canal de enlace descendente. o de sentitkl inveT!lO. se agrupan en tr.Imas de 20 m!i. Pri mero se codifican en foml:l convolucional. y a rontinuación se formalean e inten:a1an para rompenSllT hl$ difereocias de las "elocid3dcs reales tic usuurio, que son .'ariables. La senal resultante se dispersa CQI1 un código de WlIlsh y una sec ueocia pseudoalea· toria la'l!.a. a la ~·clocidad de 1.2288 Mpu lsosls. El canal de transmisión de enlace en sentido directo 5e "e en la fi g. 2O- 11b, Yestá formado por canales de acceso y hasta 62 canales de tráfico en se ntido directo. Los canale..~ de ae<:CIiO y de tráfico de canal de enlace ascendente us.an la misma a!iignac ión de frecuencias. con técnicas COMA de secuencia directa. Los canales de acceso son sólo canalcs de sentido di recto. compartidos y de punto p punto, que PfOJIOIdonan comunicaciones de un¡drl(1es mó" iles a estaciones base, cuando la unidad móvil no usa un canal de trilico. La unidad móvil usa los canales de tr.!Iit'Q para iniciar comunicaciones ron una estación base. y p;LOI responder a mensajes del canal de voceo. Entre los mensajes oonnales del canal de acceso están de recooocimielllo y número de secucncia. p:tr.imetros de identi rKaCiÓfl del usuario móvil y parámetros de comprobación. El canlll es de OCCdQ alealOrio. y cada ealllll de su!iCTiptOl" está identificado en forma úni ca por su código pseudoaleatorio. El canal COMA de semido directo puede contcner un má:
SIS lEMA GLOBAL PARA COMUNICACIONES MOVILES A princi pio. de lo d«atlll. tle 1980, lO!! sistemas teldónko~ celu tare$ I1nológ;oo~ Il... k ron un periodo de rápido crecimiento en Europa Occidental. en es pecial en Escandinavia y en C'J Rcino Unido, y en Il1C"nor gmdo en Frond a y Alemania. A continuaciÓn, cada país des.arroll ó su propio sistema celular, incompat ible ron los de los demás, Ulnto en equipo como en el sistcma dc opeI1IciÓn. La mayoría dc 105 5iMcmu c~ btcn teli funci onaba en distintas frecuencias, y todos eran analógicos. F..n 1982. la Con/e~nci(l de Corfl'{}$ y TellgfT¡fiJs f:uropeo$ (CEPT) formó un gl1tpo de estudio, llamado Grvupe SplcllJ/ Mobile (GSM ) para estudiar y desarrollar un sistema telefónico móvil terrestre y público. paneuropw. En 1989 fue trnnsferida la rcspons.abilidad de la GS M al lrulilU/o l:-uropro tiC' Nonnm lit Td«Vflruniroción (ETSI. de Eurvpwn Td C'conrnrun;· cm ion S/l/fuforrJ:s !n:s/;/rlltl ) 'J cn 1990 se publicó la fa.'iC 1 de las especificaciones GS M. &te tu vo la "enlaja de habenc diseñado desde eem, sin imponar si era oomp:uible con los sistemas telefÓnicos celulares analÓgicos cxislCnu:s. El servicio comercial GS M comenzó en 1991 . y para 1993 había J6 redes GS M en 22 paises. 110'1 , están planeadllS o ya fUlIC ionan R:
Capitulo 20 Mat~rt'JI
protegido por derechos de 'JI.: or
ServiCKlS de GSM La intenciÓll original era hacer GSM compatible con ISDN. en ~nninos ¡k servicios ofrecido!; '1 formatos de seilalilaciÓll de control. Ot.-safortunadamente. hls limitaciones de ancho de banda de CM:..I '1 de costo evillUt que el GS M funciollC :.. hl velocidad bi1sica de dUlos de: 64 kbps de ISDN. Los servicios telefónicos GSM se pueden clasificar en forma amplia en tres categorías: sen'idos de pnrtadot'. u¡estn'idos y u n 'iejos supltmt"tarios. E.s pmb:lble que el servicio al portador más IWico (tl'lrstn'ido) que proporciona GSM es el de telefonla.. En GSM, las seila· 1('5 analógicas de VOl; se codifican digitalmente y a continuación se transmiten por la red, como corriente de datos digitales. Tambifn hay un servicio ¡k emergencia, en el que se notirltD al pro"ecdor mAs cercllnQcOITC.'ipondiente marcando tresdlgitos, en forma parecida a los servicios del 911 en EslAdos Unidos. Se ofrece una amplia gama de servicios de datos por GS M, donde los usuarios pocdc:n mandar y recibi r datos hasta con 9600 bps a suscriptores en las redes POTS (p/ain old 'e/ephone sen'ice, servicio telefónico arlliguo simple), ISDN, red pública de datOI de paqUtf" conmlfladol (PSPDN, de Pactet Slt'itched PubUc {)(¡ra Nrtwo'*), y rrd pJiblico de datos de circuitos conmutados (CSPDN , de Circuir S.,./tched Pub/le Da/u Ne/lt'Or/c (CS PDN),
mediante diversos ~todos y proIlXolos de ~, como X,2S , Tambif n, como la GSM es una red digital. no se requiere módem entre el usuario y esa red. EnTre otros servicios de datos GSM están f3l;Sfmi l de gnJpo 3, según la recomc:oollCión T,30 de: ITU-T, Una func ión Ilniea de GS M que no e,o;isle en los sistemas analógiros anteriores es el Jt!n'icio de mt'fUojes cortos (SMS, de Shon Messase Sen'iee), que ('5 bidireccional para mandar I1lC'nsa~ alfllnll~riros hasta de 160 bytes de longilUd, Estos mensajes SMS son transpanados por d sistema en romla de almatenur y en,'iar, TlIntbifn se pueden usar en un modo de rndioemisi6n eelullll', para IlUlftdar mensajes a rc:ccptOfCS múltiple5, Tambifn se ofrecen en GS M vllri05 servicios suplementarios, oomo notificación de /lI/nJm/m e ;m/~/imento tle/lt",uul/JJ . •
Arquitectura del sistema GSM La arquitectura del sistema GSM, mostrada en la fig , 20.. 18, roruistc en tres subsi5tema.~ prin_ cipales intereol1«'lados, que intcTilCcionan entre si y ron los suscriptores a trav& de interfaces especirltadas de: n:xi, Los Tres subsistemas principaJe5 del GSM son subsistema de esloci6n /x¡se
SubIIlritama da eslllCióoJ bue (BSS)
Subtlstema da eonmutaeión ele red (NSS)
Rldss
FIGURA 2Q.18 Arquitectura del sistemB G5M
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SeNicio telefOnica móvil Mar rF]1 protegido p-?r •
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FIGURA 20.19
Paroorérnica del sistema telefOnicu móvil PlSS lri6um
3 . PlOpon: ion3l" servicios de mensaje!;, facsfmil y datos a los suscriptores de lridium. 4. Facilitar las liI;\ividade5 oomerdales del sistema lridium a tnlv~ de un conjunto de IICUCroOS
corponllh'os mtJluos.
ConsteJadón de u ti liles. La base del sistema de: satél ites lridiurn es proporcionar robenUr1I IC'lTe!>lre total. El sistema usa. 66 satélites funcionales (ul./lIbién hay algul105 de reserva) configumdos a una elevación media de 420 millas sobre la liena en !lCis planos orbitales casi polares (incliJ\:ldol¡ 86.4°), en el que gimn 11 SlIliI!liles en lomo a la TIerra en cada órbita. con un periodo de órbilD de 100 min 28 s. EsIO petlllilC que lridium cubra toda la 5Upeñ«:le de la TIena y siem~ que un sall!¡itc desaparezcadc la vista de un suscriptor. lo sustituya 0Cr0. Los salfliles se
rrpanen en forma adecuado en collares oorte-sur que f()l'1Jlóln plotIDs rorrolOloriQS de Subida en un lado de la liem. erozan los poJos y de: bajada en ti 011'0 lado. Los planos primero y último giran en direcc;iones o¡JUe$la$, fonnando una unión vinuaL Los planos COfTOl;llo005 e$Un sepa. nWO$ por 31,6°, 'J 10$ planos de unión rslán a 22° entre si, Cada sat~lite tiene tres antenas de banda L. 'J se forma una distribución en panlll formada por 48 haces
;ndiv;d"nle~
10<: ..1;7.ad0l0 ron un tOl,,1 de 1628 d lul...... puntadoos dirc:cuunc:nle ha .
cia abajo dd sat~lite, como se ve en la lig, 20-20, All'ttOll"Cr su órbita el sat~l ite, las huellas se muc\'en a tra\'éo¡ de 1" wperlicie tem:stre, y lu seilolrs del suscriptor se conmUlan de un tun: al siguiente, o de un sat~l ¡te al siguiente, en un proceso de transferencia, Cuando 105 sat¡!lites se ... ei~an a los polos Norte o Sur, se \f1I$lapan 5US huellas y SIill h.xes. EnIOfiCcs, los h:tee$ exteriores se apagan. parn evitar ese U1lSlapc y ahomr potencia en el sat¡!lite, Cada ~Iula tiene 114 canalct de VOl dllplex, haciendo un 100al de 283,272 canales en todo el mundo. La llave úniea del sistema lridium C5 el uso de ,n/(l(t$ cruzod(J$ entre sut¡!lites, y lambi¡!n es la principal dife=lCia enlre el sistana Iridio y el tradicional .lúl,mu de lubo dobIodo, en el que todas las tnuI!Imi.sioncs ~iguc:n la \r1I'Jc:<:toria de tiema..satttite·titrTll. lridium es el primer sat~l i te SeNlcio telefónico m OviI
903 Mat rt'll protegido por dcrf'r.hos de>
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100 MHZ de :mello de banda.. y los enl~ intersatelitales usan 200 MHz de ancho de OOnda. Las bandu de fm:;ueocia son lilS siguientes: Banda L. enllltts de
, 'Ol
de suscrifllor a satflite .. 1.616 D 1.6265 G Hz
Banda Ka, enlaces de bajada por puente - 19.4 11 19.6 GHz Banda Ka. enlaces de subida por puente - 29.1 o 29.3 GHz Banda Ka, enlaces qumd05 intersatelitales - 23. IS a 23.38 GHz
PREGUNTAS 20-1. Describa en fOfTll,¡) tm"e 1/1 difereoci/l entre un aj)llr.lto telefónico mó"iI y uno portá/iI. 20·2. Describa en forma tm" e la diferencia entre rndiQ mdl'U tn dQI JtntidQl)' /tll/QrIQ ",6.';/ tll ool1tl1tidOl. 20-3. LQut quien: decir 5isteTTID telefOnico porcublt1 20.... ¿Cu~tldo otorgó el primer permiso la FCC para operar un servicio de radiQ celular en de·
2(1..5. 20-6. 10.7.
2(1.8. 2(1.9. 2(1.1 0. 20-11 . 20-12. zo.1 3. zo.14. 20-1.5. 20-16. 20-17.
zo.l8. zo. 19. 20- 20. 20-21 . zo.u. 20-23. 20-24. 20-25.
5lIrmllo1 ¿Cuál fue el prilllel' sistema telefónico celular en E. U. A.'1 Haga una liSIa üe 105 sistemas rTW comunes de radiocomunicacitM en dos scntidc:ll'l. y Ocs.., iba en fom\ll bre"e cada uno. Dese. iba la dif<'ttnci. entre :»IIa dt ctffltnuro y ellula. Explique por q~ se usan ctlulas iIeJIasooales y no circul ares. Dc:scriba IIlll di f<'ttnc11lll entre una lfJlJC1fKilflla y una nr;c1fKllfllo. F..lplique el coocepIo b.tsico de KfI/i1i;:M16tI de jrtCfltllCio. i.Cu~1 es la difen:ncia entre una ce lda adrado ttl ti bonlt. y una t.r:r:;/otla rn ti u ntro'l ¿Cu4les son las dos formas principales de inten<'ttncia en los sistemas telefónicos cclul_1 Describa en forma bre"e IIlll dos fonnas de interfermcia mencionadas en la pregunta anterior. Dcscribllla l'Cf1taja 'J des''Cntaja de tener un alto rllC10r de rtlttilizucWn de CUNlI compartido. ¿~ quiere decir tirela ctl'Ctl1llrl,jano. 'J cómo afecta el runcionamicntodc:ltdHonocelular1 Desc/iba en brel'C elt~nnino di";si6n dt d ifllQ. ¿Cuál es el objetivo principal de la divi sión de c.!lula7 ¿~ quiere decir el t&mino b1oqflto? Describa en romut brl:1'C los conceptos de stcrnrl¡oci6tl. ugrMmacldn 'J duali:aci6tl . Oc$criba en romut bf'cvc las funciones de una cen/rul/,t,jÓII;m mdl'U (MTSO). ¿Quf es una IttlnS/tK1IC;u1 EAplique 1, diferencia enlJ'C una trom/ertmciasJUlI..,. y una dura . Haga una lista y describa IIIS funciones de los 5eis componentes principales de un 5istema telefónico celular. Describarn rOl'llU bn:1l: lO!i jHocedimientOl pan IJamaduüe cublt a ",.hil. de ttt6 •.¡/ omblt y de mdl.;1 a .00";/. ¿Qué quieren dI.'Cir 105 t&minos ocuso múl//pl, por dÍl'is/én dtjruurnciQ y duplundo por
ronm
d;";l/dII de /rt!'Cu,ncia7
20-26. ElI pliquc q~ 50fI los ,n/oceJ tn In/ido di~ro y los ,,,Iacu tIlltntidi) ¡"I'truJ. l(). 17. De!criba en fOl'mli breve el formll lO del conal dr " QfI/roI AMPS. 20-28. ¿Qué quiere decir el tbmioo sileocio y nffo&Q?¡Cwfndo Je u/iIi¡o l 20-29. Describa en fQfITWI brev.: \111 funciones de] rQflO tlt audio de lI"",n·/si&. (SAn 'J de l /uno de stilu!i;:Midll (Sn.
zo.JO. 20-31. 20-32. 2Q.J3. 20-34.
Dcscribll en forma bf'cv.: ]a.s diferencia., entre AMPS y N·AMI'S. ¿~ es ETACS1 Hlp 1l1la lista de lu ventaju de TOMA sobre FDMA. ¿CuAl es la diferencia entre M i PS 'J D-AMPS1 ¿Qul quiere decir el '~nnino modo duan
Serticio telefónica m6vi1
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der~hos
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2()..JS. ¿CuAl ~ l...elocidad de transmisión de bits especilicad.il por la IS-S4 para tr.lRmlisiOOCll de voz digitaliuda? 26-J6. ¿Cwil es la difm:neia eOIn: el especlro Ilonnu/ 'J el u.1~lIdido de frteuencía en 101 sl$lemu celuLarcs USDC1 2O-J7. ¿CuAntos CII'UIles de control se especifican para los sistemas AMPS? ¿Y para los sistemas USOC? 20-38. ¿Qut cipo de modulación se usa en los canales de control AMPS? ¿ Y en los canales de WIl' trol US0C7 20-39. ¿Cuál es el ancho de barw;Ia de un canal de ..oz AMPS? ¿ Y de un canal de \'oz USDC1 20-40. ¿Qui! re/aci&o de t;ompresiótl d~ 1.'0",,1 se logra en los sistemas USOC? 10-41. Describa en forma tx-e ..e 1M funciones de tos siguientes l6mil105: ,'t!rijicoddn digiral codifi· cada porc&lI'go d~ rolares. C
PROBLEMAS 20-1. Calcule l. can tidad decanaJes dú plex disponibleJ; en un grupo. y la capacidad toul de un sistema cel ular donde hay 10 unidades de asignación. formada cada una por 20 ~ lullS con 18 canales en cada ~Iula. 20-2. ¿CuinlOS canales dúplex se ~uieren en cada célula p.:sra fonnar un sistc ma celulllfde 12 uníIbdes dca!iignación. de t5 células porunidad. con una capacidad 10\.111 de 3960canale$ dúplcx1 20-3. Calcule la canudold de ctluw en un grupo p.:Ir1Il05 silluienlC5 valores:) _ 3 c ¡ _ 4. 20-4. Calcule la rel..:ión de n:utili1.lCiÓn de canal oompanido p.:sra un grupo con 20 ~lullS . 20-5. Calcule la relación de reutiti1.ación de canal compartido pan! un gru po. CUDJKkl la distancia al centro de la célula mú CetcllUl de canal compartido es 4 km. Yel rodio de la célu la es 1.2 km. 20-6. Determine w {rccuenCÍias de tnnsmisión y recepción pan los siguientes =IeJAMf'S: 33. 156680.99 1 Y 1008.
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Cepltulo 20 Mat rI'll protegido por derechos de> 'lL.: or
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El diagrama de Smith
INTRODUCCiÓN Las soluciones matcm.llticas para c:l cl.lculo de impWllflCias de IIJle3S de transmi sión son IQOOnosas. En consecucnciD se acostumbra usar gnlficas para resolver los problemas de impedan_ cias de líneas de transmisión. La ecuación A· ¡ C!l la fónnul a para dctenninar l. impedancia en dctenninado puntO de una Une. de tronsmisiÓll
Z "" Z rZL
+ jZo tan ~l
"ll o + j ZL lan jlS
en donde
(A- I)
Z - impedancia de la línea en delCnninado punlo
Z,- - impedancia de carxa Zo - impedancia caracterfslica de la Ifnea t3S .. distancia de la carga al punlo donde se calcula el valor de la impedancia Hay varias gnificas en las que se prtSCntun las propiedades de las Ifneas de transmisión. Sin embargo, las más útiles 5Of\ aqueUas que eApre5Uf111l!i relaciones de imp«lDrw;ia que existen a 10 largo de una ICnea de transmisión sin ptrdidll, pan! diversas condiciones de carga. El diaglVftl(J de Smirh es la calculadora más usada en lineas de transmi¡ión de este tipo. Es un tipo especial de sistema de coordenadas de impedancia. que retnUD la re lación entre la impedancia en ClIIlIquicr punto a lo largo de una Ifnea de tnmsmisión uniforme. entre la impedancia en cualquier otro punto de la Ifnea. Esta grtfica (ue desarrollada por Philip H. Smith. en los Sel! Telephone Laboratories. y se describió por primera vez en un anfculo titulado "TrurumiSlion Une Calcu/Olor" ( E/eclronic~. enero de 1939). En la fia. A- I se presenta un diagrama de Smith. Se basa en dos conjuntos de círcul os ortogonales. Un conjunto representa la relaci ón del componente resistivo de la impedancia de linea (R) a la impcdand a caracterislica de la linea <.lo), que paro una Ifnea sin ¡M!rdidas tambi~n e5 puramente rc5 istiva, El segu ndo conjunto de dn:u los represe n· ta la reladón del componente reactivo de la impedancia de linea (:!:jX) entre la impedancia
907
COOIIDENADAoS DE IMP'f.DANClA o AOMtTANClA
canlCterística de la 1I1lC3 (lo). EIltR' los parárnc:tros que se grufiean en la gráfica de Smith esl:in los s igu ientcs: l. Impedancia (o admi tancia) en cualquier punto 3 lo largo tic una lfnea de transm isión. a. Magnitud dd coefic iente de: reflexión {n. b. ÁngulO dd eoeficicntc de: reflexi6n. en grndo$. 2. Longitud de la Ifnca de trans mi siÓn Clltn: dos pUllt os cua lesquiera. en longiludes de onda. J. Atenu aci6n entre dos puntos eual esquier'd. a. Coeficiente de ~rdida tic onda estacionaria. b. I'trdida por renexiÓII.
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Ap6ndice A
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FIGURA A-2 (a) Elementos apeos de un crwto: lb] impedarcias graficedas en un plano de COO"den!tdas rectangulares: [Ntca: ... es 18 frecueo. cla angular a la que SIl mide ZJ
4. Rel ación de ondas estacionari as de voltaje o conienle.
IL Relación de onda cstacionaria. b. Lfmitcs de ,'ohaje '1 comente debidos a ondas e¡¡tacionm as .
DEDUCCiÓN DEL DIAGRAMA DE SMITH La impedanciltdc una linea de transmisión. Z. est.i formad:l por componentes "al e imagi/llIrio de cUD.I'Iui~r signo (Z " R ....j X). La fig. A· 2B mllCSll1llres l'lemenlQ§ I¡pi cos de circuito. y la tig. A·2b muestra su imped:lncia. grafieada en un plano de coonknad"s rrclongularts. Todos
los "alores de Z que corresponden a mies pasivas se deben graficar en o lUJcia la dereclla dcl eje imag inario dcl plano Z: esto sedebc a que un componente: real negalh'o implica que la red es CIpaz tic s umin islror encr¡la. Pnra mostrar la impedancia de todas las redes pasivas posibles en una gráfica rectan gular. esa gr4fica se deberla prolongllt al infinito en tres direcciones. + N. +jX y - j X. El diagl'll/lUlde Smilh supera esta lirnilllCiÓn. porque se gratica el cotjicit'nte de rtj1ai6n complejo.
r.
l l
1
( A-2)
+I
en donde z es igual a la impedancia l\OI'Y11:lIiuda a la imped:l.Ilc ia carnctcrísli~ esdccir. z - ZJlo. De lICLlCrdo con la ec uación A· 2. parol lodcb 1m¡ valores: tk impctlanda pólsiva. la nuagnihld de r esll1 entte O y l. Tambifn. romo 111 :s l. todo el llldo dereeho de l plano =se puede trazar en un ma circular en el plano r . El circu lo que n::su lla litne un radio r - I '/ su eentro ~ll1 en r - O. lo cual COrTCllponde a ¡ - I o 11 Z - Zo.
Uneas de R. (z) constante La fig. A-3a muestrn la gráfica rectangular de cuatro ICneas de resislI: ncia constante R.(:) - O. 0.5. I ,/2. Porejcmplo. toda impedancia cu,/a parte rc:a1!>Ca R~ - l . eslam. en la rtt1a R - l . Las impedancias con componente reactivo positivo XI. quedaron arri~ de l eje real, micntr.l5 que
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El diagrama de Smith Mat~rt'll
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FIGURA A-3 lal Gréfica en coordenadas reaangulares : lb) plano I
las impedancia~ oon componenle reactivo negaTivo X", qucdarnn abajo del eje real , La lig. A-J h nlue5t11l 10Ii mismos CIIIIlm valores mnMos en el plllJ1(l r . Ahora N.(¡) son cfrcu los de R.(r ). Sin embargo, las impedancillS indu.cli vas
$e ~ iguen
troln sliriendo a 11l1.ona arriba del eje hori l omal.
y las capacitivas al ma abajo del eje hori:wn laL U. diferencia principal entre las dos gn!.licas eS q ue en la gráfica circul ar las lineas ya no se prolongan al infinito . Todos los puntQS al infi nito!i(' enc uentran en e l plano, a la disumcia I a la dcm::ha del orige n. Esto implica que para : - oc, sea
real. inducti va o capacili vll. r - l.
Uneas de X[zJ constante La fig. A-4a m~lr.a la gráfica I'IX'UUlgulardc Ut:S lfncas de n:actancia inductivlconSlalllC. X - 0.5, I Y 2. tres líneas de reactancia capacitiva constante. X = - 0 .5. - 1 Y - 2. Y una Ifrte3 de rcactancia cero. X "" O. La fi g. A-4b muestra los mismos siete \'aJores dc j X. graficados en el plano r. ~ upreda que lodos los valOIl'S de magni wd infinita se \'uc l\'en a ellCOI1trar en r .. l . Todo el plaoo rectangular: se enrosca hac ia la dere<:ha. 'J sus tres ejes. que antes se prolongaban al in· finito. se el1Cucntmn en la intetsC'(:ción de l cfrculo r .. I COI1 el cje horil.omul. Inversión de impedancia (admitancia) La admifallcia. Y. es la inversa mmemli tica de Z, es decir, y .. l/l. Y. o cualq uie r número complejo. se puede determinar gr.lficameme ron el diagrama de Smith sólo ron graficar ~ en el plaoo complejo 1'. 'J a continuación girando ISO' este punto respectOa r : O. Al girar 180" !;11da punto de la gr:ifica se puede establecer un segundo conjunto de CQOIlIenQdas, las coorocna· das y. qLIC es una image n especular im'en ida del diagrama original. V~asc la fig. A·Sa. A veces se superponen lascoordc",.das de admittlllCÍa en la misma gráfica que las de impedancia. V~ase la fig. A-Sb. Si se usa la gráfica combinada se pueden leer en forma directa los valores de impedancia 'J ad mitancia. re firi~ndose al conj unto adecuado de coordenadas. •
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Apéndice A Mat~rt'll
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'" AGURA A-4
(11) Gréfica
en COOfdeMdas rectangulares: lb) plano 1 eoonkllad.. de
//__I:::::::><~impedanc>.
(2)
Y . 'lJZ
'" FIGURA A-5
'"
lrMIr5i6n de impedMcia
Compleja conjugado Se puede dcterm inar el compl~jo colljugado con rocilidad en el diagrama de Smith. sólo in vi r¡ielldo el signo del ángulo de r, En e l diagr:mu. de Smith se sue le representar r en forma polar, y las ángu los !Ion más ne gativos (retardo de rase ) cuando I! inan e n dirección de la~ manecillu del reloj respeclO a la gnlfica. Por comiguienlc. 00 está en el CX lrcmo derecho del eje real. )' ~ 180" está en el extremo izquierdo. Por ejemplo, sea 0.5 I+! 50". El complejo conjugado
r-
r " es 0.5 /- 150". En la Iig. A-6 se ve que r ' se determina reflejando a r en el eje real .
GRAFICACION DE LA IMPEDANCIA, ADMrTANCIA y SWR EN EL DIAGRAMA DE SMITH Toda impedanda Z se puede gndicar en el diagrama de Smilh sólo normaJi;pndo su valor~ pecto a la impedancia car.K1erfsticlI., es decir, Z - ZfZo. 'J graflCando lali panes real e imaginaria.
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El diagrama de Smith Mat~rI'll
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Complejos conjugados
FIGURA A-6
Por ejemplo. para una impedancia carnclcristica 7...;0 - 50 fI Y una impcdulICia ll:Iii stiva Z .. 2S
n, la impedanci a nomluli2ada : se calcula como sigue
l 25 = - = 0.5 Zo SO
l = -
Como z es puramente ~isli\'a, esta gráfica debe estar directamente sobre el eje hori7.0n tal. ya que "'jX s O. Z • 25 se grnlica en la fig. A-7 en el pumo A. es do.--cir, ~ ,. 0.5. Al girar 180" la gnilica se oblicne el valor dc :sdmitanda nonnaLi wdo. y - 2 (siendo)' ., YIl'o), En la fi g. A ·7 se grali ca y en el punlO 8 . Como se d ijo ames. una camcu:nslica muy importante de l diagr.uTllI de Smi th es que cualqu ier línea sin pfrdidlu se puede n:pruc:ntar por un círculo con origen en I ...JO. el centro de ]0 gráfica. y coo radio igual a la, distancia entre el origen y la gráfica de im peilimcia. Por consiguiente. la rt/aciÓfl de onda tSf(¡c;ollllria (SWR. de standing-Iw/.'" I'(l/io) que corresponde a algun cfn:ulo determinado 1:5 igual al ""lo.. de 7/7-0 en el que d clreulo eruz., deje hori 7.0nml al llldo derecho de la gráfiea.. En conSCCllCocia. pard este ejemplo, SWR .. 0.5 (ya que ZIZo .. 25/50 -= O.S). Tambifn se debe notar que 1000 punto de impedancia o admitancia puede gi rar 180° tan sólo tTll7..ando Un:I rec:tll del punlO. pasando pore l centro de la gráfica. y term inando 001'1 la intefliltCCión con el cfreulo en d !:ido opuesto. Pam Un:l impcdaocia característica 7-0 = SO Y una cnrga iodllCtiva Z = +j25 , la impedancia oomi3li1..:lda z se dctermina como sigue
z
z= -
=
+jX
=
"o "o
+j25
=
+jO.S
50
Comu z es pUTlImenle inductiva. su gráfica debe eS lar en e l eje)l - O. q ue es d círcu lo exterior de la gn1fka. El punto z = +}J.S se grnfiea en la fig. A-II en el punto A, y su admituncill y - - p se determina gráficamente ti rando 180'" en tomo a la gr:Ifl(:a (punto 8 ). En este ejemplo . SWR debe estar en el eXI~mo dcrccllo del eje horizonml. que se: grofica en el punto e y corres· (lOOlk a SWR - "". inl:~itable para una carga J!lIrnme1lte n:acti\'a. SWR se grnflCa en el punto C. Para una im pedancia com pleja Z "" 25 + j25. z se determina oomo sigue
z ""
25 + j2S SO
- 0.5
+ jO.S
.. 0.70 7 ~ En consecuencia.
, 912
Z " 0.707 ~
•
Y
35.35 ill!
x 50 ..
35.35 i:U!
I 0 .02829 ill!
Apéndice A Mat~rt'll
protegido por derechos de 'lL.: or
· .....-.. FIGURA A-8 Cerge inductiva
distancia. en longiludf's de ondu (v~ase la ng. A·I ). La escala elltema muestra la distancia de la car¡a al generlldor. y aumenta en dirección de 1115 rt1.IlllCCi1las del reloj. y lo segunda escala mua· tra la distancia de la fuente a la car¡a y aumt'nta en dirccción de hu mnn«illas dd reloj. Sin cm· bargo, ningu na de las escalas indica necesariamente la posiciÓfl de la fuente o de la carga. Una re\'oluciÓfl completa (360") representa una di stancia de la mitad de una longi tud de onda (0.5>"). y la mitad de una revolución ( 180") representa una distancia de un euano de longitud de onda
(0.25>..). e~tera.. Una Unea de trnnsmisión que termina en un circuito abiert o tiene una impedancia en el utremo abierto que es pul'lllTlCnte resistiva. e igual a innnito (capítu lo 8). En el dipgrama de Smith, este punto se gratiea en el elltremo defIXho de la linea X - O (punto A, tig. A· IO). Al av1U\1.at hacia la fuente (generador). la impedancia de entrada se detennina girando en tomo a la gráfICa en dirección de las manecillas del reloj. Al girar más y más en tomo al circulo (al lTlO\'~
9'4
Aptndice A
COORDEN.aD·.s DE IMPEDAHCIA D .aDMITANCIA
-..-.-.. FIGURA A-9 Imped8nCill compleja
hacia elgencrador). la capacitanc ia disminuye hacia un vlkJr normalizado de la unidad (es decir, z - -j i) a la distancia de un octavo de longi tud de onda de la carga (punto e en la lig. A·IO) y I un valor rnCnimo juslO por deblojo de un cuattode Ion¡itud de onda. A l. distanci. de un cuar_ 10 de: longitud de onda, la imped.anc:ia de cnuada es punurx:nle n::sistin e igÚal a O O (punlO B de la fig. A- lO). Como se describe en el caprtulo 8. hay una inve-rsión de impedancia cada cuar· 10 de: longitud de onda, en una Ifnea de tnJ.nsmisiÓll. Al rebasar un CUW"lO de longitud de onda. la impedancia se transrorma en inductiva y mfnima; a continuación Clttc: hasta un valor nonnali· :r.adodc unidad (es dccir.l - +jl ) a una dislancia de tres OCIa\'os de Iongilud de onda de la car· ga (punto D en la fig . A-l O) Yun valor lIWtimojusto antes de media 1000gilud de onda. A la di s· UllICia de media longi tud de onda, l. impedancia de e ntrada de nuevo es punurx:nte resistiva e igual. infinito (re¡rcso al puntoA de la fiJ. A· IO). Los resu ltados de este amll isis son ick!:nt icos a Jos cn«lntndos ron el análisis fasoriD.l en el capftu lo 8, graficados en la fig. 8-20.
EJ diagreme de Smith
915
COORIXN.-.oAS IX IMPEDANCIA O AOMIT ANClA
I
I
•
. -...-..
Se puede hacer un anál is is sclllejl1l1le con una lInea de Inmsmisión u:mlinada en conocir· euilO. aunque se obtienen vlllillCiones de impedancia opueslas a las que habla oon un circuito abierto. En ]a carga, la impedancia de enunda es puramenie resis¡l\'a, igual a O. Por oonsiguiente. la carga eslá en el punlo 8 de la fig. A·IO, y el punloA reprcsenia una di stancia de un cuano de Iongilud de onda de la carga.. El puniD Dcslá a la disww:ia de un OCtaVO de longilud de onda de la carga. y el punto C. a tres octa.'os de lon gi lOO de onda. Los resul tados de ese análi sis son itltn· ticos a los que !le' obtu vieron con rusores en el cap/lUlo 8, graficados en la fig . 8·2 ]. Para una Unea de ImIlsmi sión temlÍnOO¡¡ en una carga puramente resistiva di stinla de Zo. el análisis oon diagrama de Smith es muy parecido al procesodcscrÍloen la sceción anterior. Por ejem plo, p;ira una impedancia de carga Z,. - 37.5 n resiSiiva, y una impedancia característica de linea de ImIlsmisión Zo = 75 la impedancia de enlruda a ~:uias distancias de la carga se dctcnnina como sigue
n.
916
Apéndice A
AGIJRA 4011 Ct'c..1o. de ito¡;'8deoOa de e"tr &da
l . La imp...bncia rllMmalizada de car¡a ~ es ?
'
'"
Z" .. 37.5
z,,71
;;o
OS
'
2. Se gr:afiCl l .. O ., en la gr.ifica de Smilh (pumoA de ta fig. A·ll). Se tnIZa un circulo que: pase por el punto A. con su centro ubicado en la inlel'$CCCión del cfrculo R .. 1 Yc!1lTCO X • O, J. Se lee SWR en forma directa en la intCfSCCCión del cfrculo l .. 0.5 con la rttta X .. O en el lado derecho (punto 1). En este caso. SWR .. 2. Con el ci~1o de impedancia te pueden de$crjbir todas lu impedancias a lo larJo de: la linea de ttansmi5ión. Por COIIsi¡uienle. 1.1 impedancia de entrada (~) ala distancia de 0.125"- de 1.1 cat¡a se determina proyectando el cfrculo ~
El dillQ' ama da Smith
917
COCJfIDENAOAS DE IMPEDANCIA o 4DMITANCIA
.-...
~. ,
FIGURA ,.,.12 Diflgrema de Smith pllnl el ejemplo Ar1
J. Se proyecta el punto A hasta la escala utema (punto 8 ). La impedanc ia ClIr.K1erlstica de una ICnea de: Ir.Ulsmisión es pununcnte resiStiva. En consecuencia. si el tl1lllSfonnadorde CUM' 10 de onda está a una distancia de la carga en la que la impedancia de enlnlda se;¡ purumcnte re· sistiva. elll1lnsformador puaIe IICOplar la Unea tic tr.Insmisión a la clLIia. Hay dos puntO!i sobre el circulo de impedancia dondI: la impedancia de enlnlda es pur.unente resistiva: donde el circulo intenecta la rec;llI X - O(puntos y de la fig . A· IJ). Por coruiguiente. la distancia de la caro ga a un punto donde la impedancia de e nlnlda sea pununcnte n:s istivD se determi na lan sólo con calcular la distancia en longitudes de onda del punto B de la fig. A-13 a cualquiera de los puno tOS o D, la que resu lte 1fIC'1IOr. La d istancia de l puntO B al punto
e o
e
e es
punto
e
O.250~
- punto B
distancia
El dillgrllmll de Smith
919
COOIIDEN-.D¡\,S DE IMPED.lNClA O ¡\,[)MIUNClA
.•...-.. FIGURA A-13 Oiegrema de Smittl. trnnsfDl'TTl8dor de un eUEI/W de onda
Si se instala un Imnsform:wkM" de cu:.no de loogitud de onda a 0,058>. de la carga. 1:. impedancia de entrada se lec en fonna dircclll de la fig. A· 13. z¡ - 2.4 (punto C). 4. Se observa que 2,4 tambil'n es la relación SWR de la lfnea sin compensar, y se Ice en fonna directa en la gráfi ca. 5. La impcdlll1Cia real de entr.JC.la a Z¡ - 50(2.4) - 120 La impedancia caracterfstica deltmnsfonnador de euano de onda se calcu la con la ccullCión 8·32.
n.
Z ~ = VZQlI :::
V5(J x
120 :::: 77.5 n
As!, si SI.' insena un cuano de longiwd de onda de una líne:. de transmis ión de 77.5 11 a 0 .058>. de la c:u¡;a. la linea queda acoplada. Se debe obscrv:u- que:. un trnnsfomuuJor de eUMO de ond.1 no c:lim;1IlI por completo las ondas estocionarias de la lClle:l de transmisión. Sólo las climi·
920
A¡Htncfice A
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