TRANSMISION DE SEÑALES EN
EL ESPACIO RADIOELECTRICO
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TRANSMISION DE SEÑALES : MODULO II
Las señales en telecomunicaciones se transmiten de un
dispositivo a otro en forma de energía electromagnética.
Las señales electromagnéticas pueden viajar a través del
vacío, el aire u otros medios de transmisión.
En este Modulo se tratara con cierto nivel de detalle la
transmisión de señales de telecomunicaciones a través del
espacio radioeléctrico.
Para ello es conveniente definir lo que se entiende como
espacio radioeléctrico.
La siguiente es una representación grafica del mismo:
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TRANSMISION DE SEÑALES : MODULO II
La energía electromagnética, una combinación de campos eléctricos y
magnéticos vibrando entre sí, comprende a la corriente eléctrica alterna, las
señales eléctricas de voz, a las ondas de radio, a la luz infrarroja, a la luz
visible, a la luz ultravioleta y a los rayos X, gamma y cósmicos.
Cada uno de ellos constituye una porción del espectro electromagnético según
la figura anterior.
Sin embargo, no todas las porciones del espectro se pueden usar realmente
para las telecomunicaciones y los medios para conducir aquellas que son
utilizables están limitados a una porción reducida del mismo.
Por ello es conveniente entender este concepto básico: el espectro
radioeléctrico en telecomunicaciones es finito
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Las frecuencias en la banda de voz se transmiten generalmente en forma de
corrientes a través de hilos de metal, como los pares trenzados o los cables
coaxiales. Las radiofrecuencias pueden viajar a través del aire o del espacio,
pero necesitan mecanismos específicos de transmisión y recepción. La luz
visible, el tercer tipo de energía electromagnética que se usa actualmente para
las telecomunicaciones, se conduce usando un cable de fibra óptica.
Los medios de transmisión se pueden dividir en dos grandes categorías:
guiados y no guiados:
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Los medios no guiados, o comunicaciones sin cable, transportan ondas
electromagnéticas sin usar un conductor físico. En su lugar, las señales se
radian a través del aire..
La sección del espectro electromagnético definido como comunicación de
radio se divide en ocho rangos, denominados bandas, cada una de ellas
reguladas por las autoridades gubernamentales de cada país.
Estas bandas se clasifican desde frecuencia muy baja (VLF, Very Low
Frequency) a frecuencia extremadamente alta (EHF, Extremely High
Frequency). La Figura siguiente muestra las ocho bandas y sus acrónimos:
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La transmisión de ondas de radio utiliza cinco tipos de propagación distintos:
superficie, troposférica, ionosférica, línea de visión y espacio :
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La tecnología de radio considera que la tierra está rodeada por dos capas de
atmósfera: la tropósfera y la ionosfera. La troposfera es la porción de la
atmósfera que se extiende hasta aproximadamente 45 km desde la superficie
de la tierra (en terminología de radio, la troposfera incluye una capa de
máxima altitud denominada estratosfera) y contiene aquello
en lo que nosotros generalmente pensamos como el aire. Las nubes, el
viento, las variaciones de temperatura y el clima en general ocurren en la
troposfera.
La ionosfera es la capa de atmósfera por encima de la troposfera pero por
debajo del espacio. Está más allá de lo que nosotros denominamos atmósfera
y contiene partículas libres cargadas eléctricamente (de aquí el nombre).
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Propagación en superficie.
En la propagación en superficie, las ondas de radio viajan a través de la
porción más baja de la atmósfera, abrazando a la tierra. A las frecuencias
más bajas (menos de 2 MHz), las señales emanan en todas las direcciones
desde la antena de transmisión y sigue la curvatura del planeta.
La distancia depende de la potencia en la señal: cuanto mayor es la potencia,
mayor es la distancia.
La propagación en superficie también puede tener lugar en el agua del mar.
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Propagación troposférica.
La propagación troposférica puede actuar de dos formas. O
bien se puede dirigir la señal en línea recta de antena a antena (visión
directa) o se puede radiar con un cierto ángulo hasta los niveles superiores
de la troposfera donde se refleja hacia la superficie de la tierra.
El primer método necesita que la situación del receptor y el
transmisor esté dentro de distancias de visión, limitadas por la curvatura de la
tierra en relación a la altura de las antenas. El segundo método permite cubrir
distancias mayores.
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Propagación ionosférica.
En la propagación ionosférica, las ondas de radio de más alta frecuencia
(2 a 30 MHz) se radian hacia la ionosfera donde se reflejan de nuevo hacia la
tierra.
La densidad entre la troposfera y la ionosfera hace que cada onda de radio se
acelere y cambie de dirección, curvándose de nuevo hacia la tierra. Este tipo
de transmisión permite cubrir grandes distancias con menor potencia de
salida
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Propagación por visión directa.
En la propagación por visión directa, se transmiten señales de muy alta
frecuencia (mas de 30 MHz) directamente de antena a antena siguiendo
una línea recta.
Las antenas deben ser direccionales, estando enfrentadas entre sí, y o bien
están suficientemente altas o suficientemente juntas para no verse afectadas
por la curvatura de la tierra.
La propagación por visión directa es compleja porque las transmisiones de
radio no se pueden enfocar completamente. Las ondas emanan hacia arriba y
hacia abajo así como hacia delante y pueden reflejar sobre la superficie de la
tierra o partes de la atmósfera. Las ondas reflejadas que llegan a la antena
receptora más tarde que la porción directa de la transmisión puede corromper
la señal recibida.
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Propagación por el espacio.
La propagación por el espacio utiliza como retransmisor satélites en lugar de
la refracción atmosférica. Una señal radiada es recibida por un satélite
situado en órbita, que la reenvía de vuelta a la tierra para el receptor
adecuado.
La transmisión vía satélite es básicamente una transmisión de visión directa
con un intermediario (el satélite). La distancia al satélite de la tierra es
equivalente a una antena de súper alta ganancia e incrementa enormemente
la distancia que puede ser cubierta por una señal.
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Propagación de señales específicas
El tipo de propagación que se usa en la radio-transmisión depende de la
frecuencia de la señal. Cada frecuencia es adecuada para una capa
específica de la atmósfera y es más eficiente si se transmite y se envía con
tecnologías adaptadas a la capa.
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VLF. Las ondas de frecuencia muy baja (VLF, Very Low Frequency) se
propagan como ondas de superficie, habitualmente a través del aire, pero
algunas veces a través del agua del mar.
Las ondas VLF no sufren mucha atenuación debido a la transmisión, pero son
sensibles a los altos niveles de ruido atmosférico (calor y electricidad) activo
en bajas altitudes.
Las ondas VLF se usan principalmente para radio-navegación de largo alcance
y para comunicación submarina
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LF. De forma similar al VLF, las ondas de baja frecuencia (LF, Low Frequency)
se propagan también como ondas de superficie. Las ondas LF se usan para
radio-navegación de largo alcance y para las radio balizas o localizadores de
navegación. La atenuación es mayor durante el día, cuando se incrementa la
absorción de las ondas por los obstáculos naturales.
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MF. Las señales de frecuencia media (MF, Middle Frequency) se propagan en
la troposfera.
Estas frecuencias son absorbidas por la ionosfera. Por tanto, la distancia que
pueden cubrir está limitada por el ángulo necesario para reflejar la señal en la
troposfera sin entrar en la ionosfera.
La absorción se incrementa durante el día, pero la mayoría de las
transmisiones MF se efectúan con antenas de visión directa para incrementar
el control y evitar también los problemas de absorción. Los usos de las
transmisiones MF incluyen radio AM, radio marítima, buscadores audio
direccionales (RDF) y frecuencias de emergencia:
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HF. Las señales de frecuencia alta (HF, High Frequency) usan propagación
ionosférica.
Estas señales se desplazan dentro de la ionosfera, donde la diferencia de
densidad las refleja de nuevo hacia la tierra. Los usos de señales HF incluyen
los radioaficionados (ham radio),la radio de bandas de ciudadanos (CB), las
emisiones internacionales, comunicaciones militares, comunicación de larga
distancia para aviones y barcos, teléfonos, telégrafos y faxes
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VHF. La mayoría de las ondas de frecuencia muy alta (VHF, Very High
Frequency) usan propagación de visión directa.
Los usos del VHF incluyen la televisión VHF, la radio FM, la radio AM de los
aviones y la ayuda de navegación de los aviones:
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VHF. La mayoría de las ondas de frecuencia muy alta (VHF, Very High
Frequency) usan propagación de visión directa.
Los usos del VHF incluyen la televisión VHF, la radio FM, la radio AM de los
aviones y la ayuda de navegación de los aviones
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UHF. Las ondas de frecuencia ultra alta (UHF, Ultra High Frequency) siempre
se usan en propagación de visión directa. Los usos para el UHF incluyen la
televisión UHF, los teléfonos móviles, la radio celular, los buscadores y los
enlaces de microondas.
Observe que la comunicación con microondas comienzan en la frecuencia 1
GHz de la banda UHF y continúa hasta las bandas SHF y EHF.
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SHF. Las ondas de frecuencia superalta (SHF, Super High Frequency) se
transmiten usando principalmente propagación por visión directa y algo de
propagación espacial.
Los usos del SHF incluyen las microondas terrestres y satélite y la comunicación
del radar:
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EHF. Las ondas de frecuencia extremadamente alta (EHF, Extremely High
Frequency) usan la propagación espacial.
Los usos para el EHF son predominantemente científicos e incluyen radar,
satélite y comunicaciones experimentales:
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El mundo de las comunicaciones está basado en la transmisión de información
mediante ondas electromagnéticas entre un emisor y un receptor.
Fundamentalmente podemos dividir esta transmisión en dos tipos
fundamentales:
· A través de un cable o guía de ondas.
· Radiación de OEM a través del aire, el espacio libre o de un medio dieléctrico.
La búsqueda de canales con baja atenuación y la necesidad de enviar señales
con un ancho de banda cada vez mayor ha hecho que las guías de onda
jueguen un papel cada vez más importante en del conjunto de medios físicos
para la comunicación. La televisión por cable, la telefonía, Internet, etc. obligan
a un uso cada vez mayor de guías de onda, en particular de fibras ópticas.
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Las microondas terrestres no siguen la curvatura de la tierra y por tanto
necesitan equipo de transmisión y recepción por visión directa.
La distancia que se puede cubrir con una señal por visión directa depende
principalmente de la altura de la antena: cuanto mas altas sean las antenas,
más larga es la distancia que se puede ver.
La altura permite que la señal viaje más lejos sin ser interferida por la
curvatura del planeta y eleva la señal por encima de muchos obstáculos de la
superficie, como colinas bajas y edificios altos que de otra forma
bloquearían la transmisión.
Habitualmente, las antenas se montan sobre torres que a su vez están
construidas sobre colinas o montañas
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Las señales de microondas se propagan en una dirección concreta, lo que
significa que hacen falta dos frecuencias para una comunicación en dos
sentidos, como por ejemplo una conversación telefónica.
Una frecuencia se reserva para la transmisión por microondas en
una dirección y la otra para la transmisión en la otra.
Cada frecuencia necesita su propio transmisor y receptor. Actualmente, ambas
partes del equipo se combinan habitualmente en un equipo denominado
transceptor, lo que permite usar una única antena para dar servicio a
ambas frecuencias y funciones.
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Repetidores
Para incrementar la distancia útil de las microondas terrestres, se puede
instalar un sistema de repetidores con cada antena. La señal recibida por
una antena se puede convertir de nuevo a una forma transmisible y
entregarla a la antena siguiente.
La distancia mínima entre los repetidores varía con la frecuencia de la señal
y el entorno en el cual se encuentran las antenas.
Un repetidor puede radiar la señal regenerada a la frecuencia original o con
una nueva frecuencia, dependiendo del sistema.
Las microondas terrestres con repetidores constituyen la base de la mayoría
de los sistemas de telefonía contemporánea alrededor del mundo
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Antenas
Para las comunicaciones con microondas terrestres se usan generalmente
antenas de tipo parabólico:
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Una antena parabólica se basa en la geometría de una parábola: cada línea
paralela a la línea de simetría (línea de vista) refleja la curva en ángulos tales
que inciden en un punto común denominado foco.
El plato parabólico funciona como un embudo, capturando un amplio rango de
ondas y dirigiéndolas a un punto común.
De esta forma, se recupera más señal de lo que sería posible con un receptor
de punto único.
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Satélite
Las transmisiones vía satélite se parecen mucho más a las transmisiones
con microondas por visión directa en la que las estaciones son satélites que
están orbitando la tierra.
El principio es el mismo que con las microondas terrestres, excepto que hay
un satélite actuando como una antena súper alta y como repetidor.
Aunque las señales que se transmiten vía satélite siguen teniendo que viajar
en línea recta.
De esta forma, los satélites retransmisores permiten que las señales de
microondas se puedan transmitir a través de continentes y océanos con un
único salto.
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Satélites geosincrónicos
La propagación por línea de vista necesita que las antenas emisoras y
receptoras estén fijas/estáticas con respecto a la localización de las demás en
todo momento (una antena debe poder ver a la otra).
Por esta razón, un satélite que se mueve más deprisa o más despacio que la
rotación de la tierra es útil únicamente para periodos de tiempo cortos.
Para asegurar una comunicación constante, el satélite debe moverse a la
misma velocidad que la tierra de forma que parezca que está fijo en un cierto
punto. Estos satélites se llaman geosincrónicos o geoestacionarios
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Debido a que la velocidad orbital depende de la distancia desde el planeta,
solamente hay una órbita que puede ser geosincrónica. Esta órbita se produce
en el plano ecuatorial y está aproximadamente a 36.000 kilómetros de la
superficie de la tierra.
Pero un único satélite geosincrónico no puede cubrir toda la tierra. Un satélite
en órbita tiene contacto por línea de vista con un gran número de estaciones,
pero la curvatura de la tierra sigue haciendo que gran parte del planeta todavía
no se pueda ver.
Por ello, es necesario tener un mínimo de tres satélites equidistantes entre sí
en órbita geosincrónica para proporcionar una transmisión global completa.
La figura anterior muestra a tres satélites separados 120 grados entre sí en una
órbita geosincrónica alrededor del ecuador.
Es una vista desde el Polo Norte.
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Una señal analógica es un tipo de señal generada por algún tipo de
fenómeno electromagnético y que es representable por una función
matemática continua en la que es variable su amplitud y periodo en función
del tiempo. Algunas magnitudes físicas comúnmente portadoras de una señal
de este tipo son eléctricas como la intensidad, la tensión y la potencia.
En la naturaleza el conjunto de señales que percibimos son analógicas, así la
luz, el sonido, la energía etc., son señales que tienen una variación continua..
Una onda senoidal es una señal analógica de una sola frecuencia. Los
voltajes de la voz y del video son señales analógicas que varían de acuerdo
con el sonido o variaciones de la luz que corresponden a la información que
se está transmitiendo.
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Señal eléctrica analógica
Señal eléctrica analógica es aquella en la que los valores de la tensión o voltaje
varían constantemente en forma de corriente alterna, incrementando su valor
con signo eléctrico positivo (+) durante medio ciclo y disminuyéndolo a
continuación con signo eléctrico negativo (–) en el medio ciclo siguiente.
El cambio constante de polaridad de positivo a negativo provoca que se cree un
trazado en forma de onda senoidal:
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Las señales de cualquier circuito o comunicación electrónica son susceptibles
de ser modificadas de forma no deseada de diversas maneras mediante el
ruido, lo que ocurre siempre en mayor o menor medida. Para solucionar esto la
señal suele ser acondicionada antes de ser procesada.
La gran desventaja respecto a las señales digitales es el ruido en las señales
analógicas: cualquier variación en la información es de difícil recuperación, y
esta pérdida afecta en gran medida al correcto funcionamiento y rendimiento
del dispositivo analógico. Por ejemplo una computadora no tiene capacidad
alguna para trabajar con señales analógicas, de modo que necesita
convertirlas en señales digitales para poder trabajar con ellas.
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Modulación engloba el conjunto de técnicas que se usan para transportar
información sobre una onda portadora, típicamente una onda sinusoidal.
Estas técnicas permiten un mejor aprovechamiento del canal de comunicación
lo que posibilita transmitir más información en forma simultánea además de
mejorar la resistencia contra posibles ruidos e interferencias.
Básicamente, la modulación consiste en hacer que un parámetro de la onda
portadora cambie de valor de acuerdo con las variaciones de la señal
moduladora, que es la información que queremos transmitir.
Dependiendo del parámetro sobre el que se actúe, tenemos los distintos tipos
de modulación
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Frecuencia portadora
Una frecuencia portadora es una onda electrónica combinada con la señal de
información y que se transporta por el canal de comunicaciones.1
El uso de una onda portadora también soluciona muchos otros problemas de
circuito, antena, propagación y ruido.
Por ejemplo, una antena práctica debe tener un tamaño aproximado al de la
longitud de onda de la onda electromagnética de la señal que se va a transmitir.
Si las ondas de sonido se difundieran en frecuencias audibles, la antena tendría
que tener más de un kilómetro de altura. Usando frecuencias mucho más altas
para la portadora, el tamaño de la antena se reduce significativamente porque
las frecuencias más altas tienen longitudes de ondas más cortas.
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Técnicas de modulación básicas
Uno de los objetivos de las comunicaciones es utilizar una frecuencia
portadora como frecuencia básica de una comunicación, pero modificándola
siguiendo un proceso denominado modulación para codificar la información
en la onda portadora.
Tres aspectos de la onda portadora básica que se pueden modular son:
a) Amplitud
b) Frecuencia
c) Fase o ángulo
Las tres técnicas de modulación básica son:
Modulación en Amplitud (AM o amplitud modulada).
Modulación en Frecuencia(FM o frecuencia modulada).
Modulación en Fase(PM o fase modulada).
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Amplitud modulada
Amplitud modulada (AM) o modulación de amplitud es un tipo de
modulación lineal que consiste en hacer variar la amplitud de la señal
portadora de forma que esta cambie de acuerdo con las variaciones de nivel
de la señal que contiene la información que se desea transmitir, llamada señal
moduladora o modulante.
Una gran ventaja de AM es que su demodulación es muy simple y, por
consiguiente, los receptores son sencillos y baratos.
Otras formas de AM como la modulación por Banda Lateral Única o la doble
Banda Lateral son más eficientes en ancho de banda o potencia pero en
contrapartida los receptores y transmisores son más caros y difíciles de
construir, ya que además deberán reinsertar la portadora para conformar la
AM nuevamente y poder demodular la señal trasmitida.
La AM es usada en la radiofonía, en las ondas medias, ondas cortas, e
incluso en la VHF
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Al considerar la señal moduladora (señal del mensaje) como:
y la Señal portadora como:
La ecuación de la señal modulada en AM es la siguiente:
S(t) =Señal Modulada
fn(t)=Señal moduladora normalizada con respecto a su amplitud =
m= Índice de modulación (suele ser menor que la unidad)=
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Básicamente, se trata de multiplicar el mensaje a transmitir por la portadora
cosenoidal y, a su vez, sumarle esa portadora cosenoidal. El espectro en
frecuencias de la señal quedará trasladado a ωc radianes por segundo, tanto
en la parte positiva del mismo cómo en la negativa, y su amplitud será, en
ambos casos, el producto de la señal moduladora por la amplitud de la
portadora, sumado a la amplitud de la portadora, y dividido por dos. El
resultado se aprecia en la siguiente imágen:
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Existen dos posibilidades para la demodulación de una señal modulada f(t) en
AM. La primera de ellas, la más simple, es sólo posible en caso de que se
cumpla la condición siguiente:
En este supuesto, la envolvente de la señal modulada, esto es
es siempre positiva y para recuperar la señal moduladora es suficiente con
que un receptor capte dicha envolvente. Esto se consigue con un simple
circuito rectificador con carga capacitiva
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La otra opción para la demodulación de la señal modulada en AM es utilizar
el mismo tipo de demodulación que se usa en las otras modulaciones
lineales. Se trata del demodulador coherente. Para ello, es necesario conocer
la frecuencia ωp de la portadora y, en ocasiones, también la fase, lo que
requiere la utilización de un PLL (Phase Lock Loop). En este otro supuesto,
no es necesario que el índice de modulación sea menor que la unidad, o lo
que es lo mismo, no es necesario que la envolvente [1 + m·x(t)] sea siempre
positiva.
El demodulador coherente utiliza la siguiente propiedad matemática de la
función coseno:
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para multiplicar la función S(t) por la portadora:
A partir de esto, con un filtro pasa-bajo y un supresor de continua, se
obtiene la señal f(t).
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Frecuencia modulada
La Frecuencia Modulada (FM) o modulación de frecuencia es una
modulación angular que transmite información a través de una onda
portadora variando su frecuencia (contrastando esta con la Amplitud
Modulada (AM), en donde la amplitud de la onda es variada mientras que su
frecuencia se mantiene constante). En aplicaciones analógicas, la frecuencia
instantánea de la señal modulada es proporcional al valor instantáneo de la
señal moduladora.
La frecuencia modulada es usada comúnmente en las de muy alta frecuencia
por la alta fidelidad de la radiodifusión de la música el habla.
El sonido de la televisión analógica también es difundido por medio de FM
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Un ejemplo de Modulación de Frecuencia. El diagrama superior muestra
la señal moduladora superpuestas a la onda portadora. El diagrama
inferior muestra la señal modulada resultante.
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MULTICANALIZACION O
MULTIPLEXACION
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Definición :
La Multicanalización o Multiplexación consiste en dividir de forma lógica un
canal de transmisión en varios canales, lo cual permite enviar datos por
"subcanales”.
Es decir que esta tecnología permite que varios dispositivos o emisores de
señales compartan un mismo canal de comunicaciones.
Su aplicación como se vera es ampliamente empleada tanto en las
telecomunicaciones como también en la industria de la radiodifusión.
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Existen distintas formas de llevar a cabo la multiplexación (y su inverso, la
demultiplexación).El siguiente infograma es ilustrativo al respecto:
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MULTIPLEXACION POR DIVISION DE FRECUENCIA (FDM)
Se puede considerar a FDM como una técnica de multiplexación analógica;
sin embargo, esto no significa que FDM no se pueda utilizar para combinar
fuentes que envían señales digitales. Una señal digital se puede convertir a
una señal analógica antes de que FDM se utilice para multiplexarlas.
Esta manera de multicanalizar varias señales por un mismo vinculo fue
ampliamente utilizado por ejemplo para la mayoría de los enlaces
radioeléctricos de telecomunicaciones.
No obstante se emplea también para sistemas de radiodifusión como puede
observarse en la siguiente infografía:
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TRANSMISION DE SEÑALES : MODULO II
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La tecnología actual incluye medios de gran ancho de banda (BW), como el
cable coaxial, la fibra óptica y las microondas terrestre y satelital. Cualquiera
de estos medios tiene una capacidad que sobrepasa las necesidades medias
para transmitir una señal.
Para optimizar la utilización del medio de transmisión, se ha desarrollado la
multiplexación, que es un conjunto de técnicas que permite la transmisión
simultanea de múltiples señales a través de un único enlace:
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TRANSMISION DE SEÑALES
RUIDO,PERDIDAS,INTERFERENCIAS
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En cualquier sistema de comunicaciones se debe aceptar que la señal que se
recibe diferirá de la señal transmitida debido a varias adversidades y
dificultades sufridas en la transmisión. En las señales analógicas, estas
dificultades pueden degradar la calidad de la señal. En las señales digitales.
se generarán bits erróneos: un 1 binario se transformará en un 0 y viceversa.
Las dificultades más significativas son:
· Ruidos
· Distorsión por retardo
· Atenuación
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Para medir la potencia que una señal ha perdido o ganado, se usa el
concepto de decibel. El decibel (dB) mide las potencias relativas de dos
señales o de una señal en dos puntos distintos.
El valor en dB es negativo si una señal se ha atenuado y positivo si una señal
se ha amplificado.
La expresión matemática del db es la siguiente:
dB=101og10(P2/P1)
donde P1 y P2 representan la potencia de la señal medidas en los puntos 1 y
2 del circuito de transmisión que se trate.
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Imaginemos una señal que se inyecta en un medio de transmisión y que su
potencia se reduce a la mitad.
Esto significa que P2 = (1/2) P1 En este caso, la atenuación (pérdida de
señal) se puede calcular como:
10 log10 (P2/P1) = 10 log10 (0.5 P2/P1) = 10 log10 (0.5) = 10 (-0.3) = -3 dB
Se puede observar que -3dB, o una pérdida de 3 dB, es equivalente a perder
la mitad de potencia.
Imaginemos ahora una señal que pasa a través de un amplificador y cuya
potencia se incrementa 10 veces.
Esto significa que P2 = 10 x P1 En este caso la amplificación (ganancia) se
puede calcular como:
10 log10 (P2/P1) = 10 log10 (10 P2/P1) = 10 log10 (10) = 10 (1) = 10 dB
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Una de las razones por la que se usan los decibeles para medir los cambios
de potencia de una señal es que los números decibeles se pueden sumar (o
restar) cuando se miden varios puntos en lugar de en dos (cascada). La figura
muestra una señal que viaja una larga distancia desde el punto 1 al punto 4.
La señal está atenuada para cuando alcanza el punto 2.
Entre los puntos 2 y 3, se amplifica la señal. De nuevo, entre los puntos 3 y 4,
la señal se atenúa.
Se pueden obtener los dB resultantes para la señal sin más que sumar los dB
medidos entre cada par de puntos.
En este caso, los decibeles se pueden calcular como
dB = -3 + 7 - 3 = + l
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En este caso, los decibeles se pueden calcular como:
dB = -3 + 7 - 3 = + l
Lo que significa que la señal ha ganado potencia.
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Existen aparte del dB otros tipos comúnmente utilizados en
telecomunicaciones:
dBW: La W indica que el decibelio hace referencia a vatios. Es decir, se toma
como referencia 1 W (vatio). Así, a un vatio le corresponden 0 dBW.
dBm: Cuando el valor expresado en vatios es muy pequeño, se usa el milivatio
(mW). Así, a un mW le corresponden 0 dBm.
dBu: El dBu expresa el nivel de señal en decibelios y referido a 0,7746 voltios.
0,7746 V es la tensión que aplicada a una Impedancia de 600 Ω desarrolla una
potencia de 1 mW. Se emplea la referencia de una impedancia de 600 Ω por
razones históricas.
dBc: Nivel relativo entre una señal portadora (carrier) y alguno de sus
armónicos.
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Ruidos
Para cualquier dato transmitido, la señal recibida consistirá en la señal
transmitida modificada por las distorsiones introducidas en la transmisión,
además de señales no deseadas que se insertarán en algún punto entre el
emisor y el receptor.
A estas últimas señales no deseadas se les denomina ruido.
El ruido es el factor de mayor importancia de entre los que limitan las
prestaciones de un sistema de comunicación.
La señal de ruido se puede clasificar en cuatro categorías:
· Ruido térmico.
· Ruido de intermodulación.
· Diafonía.
· Ruido impulsivo.
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El ruido térmico se debe a la agitación térmica de los electrones. Está
presente en todos los dispositivos electrónicos y medios de transmisión.
Como su nombre indica, es función de la temperatura. El ruido térmico está
uniformemente distribuido en el espectro de frecuencias usado en los
sistemas de comunicación y es por esto por lo que a veces se denomina
ruido blanco.
El ruido térmico no se puede eliminar y, por tanto, impone un límite superior
en las prestaciones de los sistemas de comunicación. Es especialmente
dañino en las comunicaciones satelitales ya que, en estos sistemas, la señal
recibida por las estaciones terrestres es muy débil.
En cualquier dispositivo o conductor, la cantidad de ruido térmico
presente en un ancho de banda de 1 Hz es
N0 = kT (W/Hz)
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Donde:
N0= densidad de potencia del ruido, en vatios por 1 Hz de ancho de banda.
K = constante de Boltzmann = 1,38 x 10-23 (J/K)
T = temperatura absoluta, en grados Kelvin.
Ejemplo:
A temperatura ambiente, es decir a T = 17 °C (290 K), la densidad de
potencia de ruido térmico será entonces:
N0= (1.38 x 10-23) x 290 = 4 x 10-21 W/Hz = -204 dBW/Hz
Donde dBW corresponde a decibeles-watts.
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Se supone que el ruido es independiente de la frecuencia. Así pues, el ruido
térmico presente en un ancho de banda de B hz se puede expresar como
N = kTB
o expresado en decibeles-watts:
N = 10log10 k + 10log10 T + l0log10 B=- 228.6 dBW + 10 log T + 10 log B
Ejemplo:
Si se tiene un receptor con una temperatura efectiva de ruido de 294 K y un
ancho de banda de 10 MHz, el ruido térmico a la salida del receptor será:
N = -228.6 dBW + l0log(294) + l0log 107=-228.6 + 24.7 + 70 = -133.9 dBW
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Cuando señales de distintas frecuencias comparten el mismo medio de
transmisión puede producirse ruido de intermodulación. El efecto del ruido de
intermodulación es la aparición de señales a frecuencias que sean suma o
diferencia de las dos frecuencias originales o múltiplos de éstas. Por ejemplo,
la mezcla de las señales de frecuencias f1 y f2 puede producir energía a
frecuencia f1 + f2. Estas componentes espúreas podrían interferir con otras
componentes a frecuencia f1 + f2.
El ruido de intermodulación se produce cuando hay alguna no linealidad en el
transmisor, en el receptor o en el sistema de transmisión. Idealmente, estos
sistemas se comportan como sistemas lineales; es decir, la salida es igual a la
entrada multiplicada por una constante. Sin embargo, en cualquier sistema
real, la salida es una función más compleja de la entrada.
Un ejemplo de este tipo de ruido lo constituye la diafonía, que puede
aparecer cuando las señales no deseadas se captan en las antenas de
microondas. Aunque éstas se caracterizan por ser altamente direccionales, la
energía de las microondas se dispersa durante la transmisión
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La distorsión de retardo es un fenómeno debido a que la velocidad de
propagación de una señal a través de un medio guiado varía con la
frecuencia. Para una señal limitada en banda, la velocidad tiende a ser mayor
cerca de la frecuencia central y disminuye al acercarse a los extremos de la
banda. Por tanto, las distintas componentes en frecuencia de la señal
llegarán al receptor en instantes diferentes de tiempo, dando lugar a
desplazamientos de fase entre las diferentes frecuencias.
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Este efecto se llama distorsión por retardo , ya que la señal recibida está
distorsionada debido al retardo variable que sufren sus componentes. La
distorsión de retardo es particularmente crítica en la transmisión de datos
digitales.
Este hecho es un factor (de gran importancia) que limita la velocidad de
transmisión máxima en un canal de transmisión. Para compensar la distorsión
de retardo también se pueden emplear técnicas de ecualización.
La Atenuación presente en cualquier medio de transmisión hace que la
energía de la señal decaiga con la distancia. En medios guiados, esta
reducción de la energía es por lo general exponencial y, por lo tanto, se
expresa generalmente como un número constante en decibeles por unidad de
longitud. En medios no guiados, la atenuación es una función más compleja de
la distancia y es dependiente, a su vez, de las condiciones atmosféricas.
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Se pueden realizar las siguientes consideraciones respecto a la atenuación: a)
La señal recibida debe tener suficiente energía para que el receptor pueda
detectar la señal adecuadamente.
b) Para ser recibida sin error, la señal debe conservar un nivel suficientemente
mayor que el ruido.
c)L a atenuación es habitualmente una función creciente de la frecuencia.
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Los dos primeros problemas se resuelven controlando la energía de la señal,
para ello se usan amplificadores o repetidores. En un enlace punto a punto, la
energía de la señal en el transmisor debe tener el nivel suficiente como para
que se reciba con inteligibilidad.
A partir de cierta distancia, la atenuación es inaceptable, lo que
requiere la utilización de repetidores o amplificadores que incrementen el nivel
de la señal periódicamente.
Este tipo de problemas son todavía más complejos en líneas multipunto, en
las que la distancia entre el transmisor y el receptor es variable.
El tercer problema es especialmente relevante para el caso de las señales
analógicas ya que la atenuación varía en función de la frecuencia, la señal
recibida está distorsionada, reduciendo así la inteligibilidad. Para soslayar
este problema, existen técnicas para ecualizar la atenuación en una banda de
frecuencias dada. Otra aproximación alternativa es la utilización de
amplificadores que amplifiquen más las frecuencias altas que las bajas.
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Generalmente, el ruido impulsivo no tiene mucha trascendencia para los datos
analógicos.
La transmisión de voz se puede perturbar mediante chasquidos o crujidos
cortos, sin que ello implique pérdida significativa de inteligibilidad. Sin
embargo, el ruido impulsivo es una de las fuentes principales de error en la
comunicación digital de datos.
Por ejemplo, un pico de energía con duración de 0.01 segundos no inutilizaría
datos de voz, pero podría corromper aproximadamente 560 bits si se
transmitieran a 56 Kbps
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TRANSMISION DE SEÑALES
DIGITALES
Es conveniente antes de adentrarse en el tema de este Modulo,definir la
diferencia entre una señal analogica de una digital.
Como se ha visto en el Modulo anterior una señal analógica es un tipo de
señal generada por una fenomeno electromagnetico y que es representable
por una una funcion matematica continua en la que es variable su amplitud y
periodo en función del tiempo.
Resulta evidente que como el periodo de una señal resulta ser relacionada con
la frecuencia de la misma por la siguiente expresion:
Donde:
f es la frecuencia de la señal
T es el periodo de la misma
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La señal digital es la representacion de una señal analogica mediante valores
discretos.
Es decir que no es una funcion continua sino que toma valores discretos pero
de una manera continua.
La siguiente es una representacion grafica de una señal analogica tipica:
Señal digital: 1) Nivel bajo, 2) Nivel alto, 3) Flanco de subida y 4) Flanco de
bajada.
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Los sistemas digitales, como por ejemplo una computadora, usan logica de
dos estados representados por dos niveles de tension electrica, uno alto,y otro
bajo.Dichos estados se sustituyen por ceros y unos, lo que facilita la aplicación
de la logica y la aritmetica binaria. Eel nivel alto se representa por 1 y el bajo
por 0.
Estos valores discretos se definen como unidades binarias.
Bit es el acronimo de Binary digit. (dígito binario). Un bit es un dígito del
sistema de numeracion binario.
Mientras que en el sistema de numeración decimal se usan diez digitos (0 al
9), en el binario se usan sólo dos dígitos, el 0 y el 1. Un bit o dígito binario
puede representar uno de esos dos valores: 0 ó 1
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Con un bit podemos representar solamente dos valores, que suelen
representarse como 0, 1. Para representar o codificar más información en un
dispositivo digital, necesitamos una mayor cantidad de bits. Si usamos dos bits,
tendremos cuatro combinaciones posibles:
00 01 10 y 11
Con estas cuatro combinaciones podemos representar hasta cuatro valores
diferentes, como por ejemplo, los colores azul, verde, rojo y amarillo.
A través de combinaciones de bits, se puede codificar cualquier valor discreto
como números, palabras, e imágenes.
Cuatro bits forman un nible, y pueden representar hasta 24 = 16 valores
diferentes; ocho bits forman un octeto, y se pueden representar hasta 28 = 256
valores diferentes. En general, con un número n de bits pueden representarse
hasta 2n valores diferentes.
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En cualquier sistema de numeracion, el valor de los dígitos depende de la
posición en que se encuentren.
En el sistema decimal, por ejemplo, el dígito 3 puede valer 3 si está en la
posición de las unidades, pero vale 30 si está en la posición de las decenas, y
300 si está en la posición de las centenas.
Generalizando, cada vez que nos movemos una posición hacia la izquierda el
dígito vale 10 veces más, y cada vez que nos movemos una posición hacia la
derecha, vale 10 veces menos. Esto también es aplicable a números con
decimales.
CENTENAS
DECENAS
UNIDADES
DECIMAS
CENTESIMAS
100
10
1
0.1
0.01
10²
10¹
10º
1/10¹
1/10²
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Por tanto, el número 153,7 en realidad es: 1 centena + 5 decenas + 3
unidades + 7 décimas, es decir:
100 + 50 + 3 + 0,7 = 153,7.
En el sistema binario es similar, excepto que cada vez que un dígito binario
(bit) se desplaza una posición hacia la izquierda vale el doble (2 veces más), y
cada vez que se mueve hacia la derecha, vale la mitad (2 veces menos).
16
8
4
2
1
2^4
2^3
2^2
2^1
2^0
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Por ejemplo la representacion del número 19:
16 + 2 + 1 = 19
Columna1
Columna2
16
1
Columna3
8
0
Columna4
4
0
Columna5
2
1
1
1
Es decir que el numero binario que representa el numero decimal 19 es:
10011
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Byte u octeto es una secuencia de bits contiguos, cuyo tamaño depende del
codigo de informacion o codigo de caracteres en que sea definido.
Se usa comúnmente como unidad básica de almacenamiento de datos en
combinación con los prefijos de cantidad. Originalmente el byte fue elegido
para ser un submúltiplo del tamaño de palabra de un ordenador, desde cinco
a doce bits. La popularidad de la arquitectura IBM S/360 que empezó en los
años 60 y la explosión de las microcomputadoras basadas en
microprocesadores de 8 bits en los en los años 80 ha hecho obsoleta la
utilización de otra cantidad que no sean 8 bits. El término "octeto" se utiliza
ampliamente como un sinónimo preciso donde la ambigüedad es indeseable.
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Un conjunto de bits, como por ejemplo un byte representa un conjunto de
elementos ordenados. Se llama bit mas significativo (MSB) al bit que tiene un
mayor peso (mayor valor) dentro del conjunto, análogamente, se llama bit
menos significativo (LSB) al bit que tiene un menor peso dentro del conjunto.
En un Byte, el bit más significativo es el de la posición 7, y el menos
significativo es el de la posición 0.
7
6
5
4
3
2
1
0
128
64
32
16
8
4
2
0
Tomemos, por ejemplo, el número decimal 27 codificado en forma binaria en
un octeto:
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Cuando se habla de CPUs o microprocesadores de 4, 8, 16, 32, 64 bits, se
refiere al tamaño, en número de bits, que tienen los registros internos del
procesador y también a la capacidad de procesamiento de la Unidad
Aritmetico Logica (ALU). Un microprocesador de 4 bits tiene registros de 4
bits y la ALU hace operaciones con los datos en esos registros de 4 bits,
mientras que un procesador de 8 bits tiene registros y procesa los datos en
grupos de 8 bits.
Los procesadores de 16, 32 y 64 bits tienen registros y ALU de 16, 32 y 64
bits respectivamente, y generalmente pueden procesar los datos, tanto en el
tamaño en bits de sus registros como, dependiendo que su diseño lo permita,
en determinados submúltiplos de éstos.
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VENTAJAS DE LAS SEÑALES DIGITALES SOBRE LAS ANALOGICAS
a) Cuando una señal digital es atenuada o experimenta perturbaciones leves,
puede ser reconstruida y amplificada mediante sistema de regeneracion de
señales.
b) Cuenta con sistemas de detecion y errores, que se utilizan cuando la señal
llega al receptor; entonces comprueban (uso de redundancia) la señal, primero
para detectar algún error, y, algunos sistemas, pueden luego corregir alguno o
todos los errores detectados previamente.
c) Facilidad para el procesamiento de la señal. Cualquier operación es fácilmente
realizable a través de cualquier software de edición o procesamiento de señal.
d) La señal digital permite la multiregeneracion infinita sin pérdidas de calidad.
e) Es posible aplicar técnicas de compresión de datos sin pérdidas o técnicas de
compresión con pérdidas basados en la codificación perceptual mucho más
eficientes que con señales analógicas.
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DESVENTAJAS DE LAS SEÑALES DIGITALES
a) Se necesita una conversión analógica-digital previa y una decodificación
posterior, en el momento de la recepción.
b) Si no se emplea un número suficiente de niveles de cuantificación en el
proceso de digitalización, la relación señal a ruido resultante se reducirá
con relación a la de la señal analógica original que se cuantificó. Esto es
conocido como error de cuantificacion.
c) Se hace necesario emplear siempre un filtro activo analógico pasa bajo
sobre la señal a muestrear con objeto de evitar el fenómeno conocido
como aliasing.
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CONVERSION ANALOGICO
DIGITAL
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La tecnica de una conversion de una señal analogica a otra digital son los
siguientes:
a) Muestreo
b) Cuantificacion
c) Codificacion
Muestreo
El muestreo (en inglés, sampling) consiste en tomar muestras periódicas
de la amplitud de onda. La velocidad con que se toma esta muestra, es
decir, el número de muestras por segundo, es lo que se conoce como
frecuencia de muestreo.
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Cuantificacion
En el proceso de cuantificación se mide el nivel de voltaje de cada una de las
muestras. Consiste en asignar un margen de valor de una señal analizada a
un único nivel de salida.
Codificacion
La codificación consiste en traducir los valores obtenidos durante la
cuantificación al codigo binario.
Durante el muestreo, la señal aún es analógica, puesto que aún puede tomar
cualquier valor. No obstante, a partir de la cuantificación, cuando la señal ya
toma valores finitos, la señal ya es digital.
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Los pasos en el proceso de conversion de una señal analogica a digital:
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Establecidas las diferencias entre las señales analogicas y las digitales,es
necesario analizar la manera de convertir una señal analogica a su
contrapartida la digital.
Pero antes de eso conviene describir las razones de la conveniencia de la
digitalizacion de una señal analogica
Hemos visto que las señales analogicas a transmitirse por cualquier medio se
atenuan, y distorsionan por efecto de interferencias,distintos tipos de
ruido,etc.
Por lo tanto la alternativa de amplificar la señal no es una solucion
efectiva,debido a que en el proceso de amplificacion se incrementa tambien el
ruido que se puede considerar como otra señal superpuesta a la original.
No sucede lo mismo con las señales digitales como puede demostrarse.
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Según el teorema de muestreo de Nyquist-Shannon, para poder replicar con
exactitud (es decir, siendo matemáticamente reversible en su totalidad) la
forma de una onda es necesario que la frecuencia de muestreo sea superior al
doble de la máxima frecuencia a muestrear.
Para la conversion adecuada de analogico a digital de una señal de voz
(teniendo en cuenta que según estadisticas mundiales varia entre 300 y 3400
Hz ) se utilizan 8.000 muestras por segundo.
En audio, la máxima audiofrecuencia perceptible para el oido humano joven y
sano está en torno a los 20 kHz, por lo que teóricamente una frecuencia de
muestreo de 40000 sería suficiente para su muestreo; no obstante, el estándar
introducido por el CD, se estableció en 44100 muestras por segundo
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Se define como error de cuantificación o ruido de cuantificación a la señal en
tiempo discreto y amplitud continua introducida por el proceso de cuantificacion
(uno de los procesos que intervienen en la conversion analogica digital), que
sigue al de muestreo y precede al de codificacion) y que resulta de igualar los
niveles de las muestras de amplitud continua a los niveles de cuantificación más
próximos.
Una vez cuantificadas las muestras podrán ser codificadas ya que siempre se
podrá establecer una correspondencia biunívoca entre cada nivel de
cuantificación y un número entero. Para el caso del cuantificador ideal se trata
del único error que introduce el proceso.
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Teóricamente, la cuantificación de las señales analógicas resulta siempre en
una pérdida de información (incluso en su caso ideal).
Éste es el resultado de la ambigüedad introducida por la cuantificación. De
hecho, la cuantificación es un proceso no reversible, dado que a todas las
muestras a un intervalo inferior a Δ/2 de un determinado nivel se les asignan el
mismo valor.
En las siguientes figuras se puede visualizar las diferencias entre una señal
continua (analogica) y su salida del proceso de cuantificacion
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Muestreo y cuantificación de una onda senoidal en código de 4-bits
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La línea roja corresponde con las muestras sin cuantificar (muestras de
entrada al cuantificador) de una señal original sinusoidal, la verde representa
esas mismas muestras de entrada cuantificadas (salida del cuantificador
ideal) y la azul muestra el error de cuantificación que resulta del proceso de
cuantificación. La relación señal a ruido de cuantificación (SQNR) es para
este caso de sólo 24,74 dB con objeto de resaltar el error de cuantificación y
su forma.
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PAM (Modulación de amplitud de pulsos). La frecuencia de la portadora debe
ser al menos mayor que el doble de la frecuencia de la señal moduladora.
Realiza una cuantificacion lineal de la amplitud de la señal analógica.
Actualmente, la principal aplicación principal de una codificación PAM se
encuentra en la transmision de señales , pues permite el multiplexado (enviar
más de una señal por un sólo canal).
PCM (Pulse Code Modulated) cuya resolución es de 8 bits (1 byte. Utiliza la
modulación PAM como base, pero en lugar de en 8 bits emplea 7 bits,
reservándose el octavo para indicar el signo).
ADPCM (Adaptative Differential Pulse Code Modulated).
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