ITO- Instituto Tecnológico de Oaxaca Departamento de Ingeniería Electrónica

MATERIA: ENLACES POR MICROONDAS TERRESTRES Y SATELITALES

SEMESTRE: Febrero-Julio 2018 INSTRUCTOR: Ing. Miguel Ángel Pérez solano/ESIME-IPN

http://solano.orgfree.com

Se define como microondas a las ondas electromagnéticas cuyas frecuencias van desde los 300 MHz hasta los 300 GHz o aún más (ondas decimétricas, centimétricas y milimétricas). Por consiguiente, las señales de microondas, a causa de sus altas frecuencias, tienen longitudes de onda relativamente pequeñas, de ahí el nombre de “micro” ondas. Así por ejemplo la longitud de onda de una señal de microondas de 100 GHz es de 0.3 cm., mientras que la señal de 100 MHz, como las de banda comercial de FM, tiene una longitud de 3 metros.

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UNIDAD 1 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DE MICROONDAS.

1.1 Introducción a los sistemas de microondas.

1.1.1 Origen y desarrollo de los sistemas de microondas.

1.1.2 Conceptos básicos.

1.1.3 Espectro radioeléctrico.

1.1.4 Aplicaciones de los sistemas de microondas

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1.1.1 Origen y desarrollo de los sistemas de

microondas.

• The first practical application of microwaves in a communication system took place more than 88 years ago. In the 1930s, an experimental microwave transmission system was used to connect the United Kingdom with France—bridging the English Channel without cables.

• In the 1950s, AT&T built a 10-channel microwave radio relay system in the • United States that was capable of carrying 5,400 long-distance calls per

channel, supporting a total of 54,000 simultaneous callers.

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• In the 1980s, analog RF systems began giving way to more efficient, higher-capacity digital systems to accommodate rising traffic demand.

• Even then, microwave networks typically provided long-haul communications—but all that was to change with the development of another ubiquitous consumer RF technology: the cellular telephone.

• Es una forma de transmisión por radio que usa frecuencias ultra-altas (son conocidos como sistemas de banda ancha).

• Fue desarrollado por Harold T. Friss y asociados en AT&T Bell Telephone Laboratories

• Fue desarrollado en el período precedente a la WWII, derivado de experimentos con radares.

• La primera demostración pública fue en 1945 • Son sistemas punto a punto y operan en el rango de frecuencia de

los GHz con una longitud de onda está en el rango de los centímetros y milímetros, de ahí su nombre.

• Con frecuencias tan altas, las señales son susceptibles a atenuación, entonces deben ser amplificadas o repetidas.

• Necesitan rayos bien enfocados y usan tecnología con línea de visión (son sistemas LOS; line of sight).

• Susceptible al fenómeno de atenuación multicamino. • Necesita una zona libre en forma de una Elipse de Fresnel

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1.1.2 Conceptos básicos.

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• Un radioenlace terrestre o microondas provee conectividad entre dos sitios (estaciones terrenas) en línea de vista (Line – of - Sight, LOS) usando equipo de radio con frecuencias de portadora por encima de 1 GHz. La forma de onda emitida puede ser analógica (convencionalmente en FM) o digital (ASK, FSK, PSK, QAM).

MODELO BASICO DE UN SISTEMA DE COMUNICACIONES ELECTRONICO

VENTAJAS DE LOS RADIOENLACES DE MICROONDAS

COMPARADOS CON LOS SISTEMAS DE LÍNEA METÁLICA

• Volumen de inversión generalmente mas reducidos.

• Instalación más rápida y sencilla. • Conservación generalmente más económica y de actuación rápida. • Puede superarse las irregularidades del terreno. • La regulación solo debe aplicarse al equipo, puesto que las Características del medio de transmisión son esencialmente constantes en el ancho de banda de trabajo. • Puede aumentarse la separación entre repetidores, incrementando la altura de las torres.

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DESVENTAJAS DE LOS RADIOENLACES DE MICROONDAS

COMPARADOS CON LOS SISTEMAS DE LÍNEA METÁLICA

• Explotación restringida a tramos con

visibilidad directa para los enlaces. • Necesidad de acceso adecuado a las

estaciones repetidoras en las que hay que disponer de energía y acondicionamiento para los equipos y servicios de conservación.

• Las condiciones atmosféricas pueden ocasionar desvanecimientos intensos y desviaciones del haz, lo que implica utilizar sistemas de diversidad y equipo auxiliar requerida, supone un importante problema en diseño.

Mas conceptos básicos

• Onda electromagnética (TEM) • Frecuencia • Longitud de onda (wavelength) • Periodo • Propagación • Ancho de banda • Capacidad de un Transmisión • Polarización • Atenuación • Desvanecimiento (fading) • Perdidas por espacio libre

(path loss).

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LOSS IN FREE SPACE (perdidas en espacio libre)

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Loss in free space is a function of frequency squared plus distance squared plus a constant

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1.1.3 Espectro radioeléctrico.

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• Espectro electromagnético: es el conjunto de longitudes de onda de todas las radiaciones electromagnéticas. Incluye:

• Rayos gamma : tienen las longitudes de onda más cortas y las frecuencias más altas conocidas.

• Los rayos X tienen longitudes de onda más largas que los rayos gamma, pero menores que la radiación ultravioleta y por lo tanto su energía es mayor que la de estos últimos.

• La radiación ultravioleta (UV) se define como la porción del espectro electromagnético que se encuentra entre los rayos X y la luz visible.

• La luz visible —también espectro visible— es la parte de espectro electromagnético que los ojos humanos son capaces de detectar. Cubre todos los colores del azul a 400 nm al rojo a 700 nm.

• La radiación infrarroja (IR) —también radiación térmica— es la parte del espectro electromagnético que se encuentra entre la luz visible y las microondas.

• Las ondas radioeléctricas tienen longitudes de onda largas que varían unos pocos centímetros a miles de kilómetros de longitud.

CUADRO DE ASIGNACION DE FRECUENCIAS • Ver cuadro de asignación de frecuencias • Ver el espectro radioelectrico

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. 1.1.4 Aplicaciones de los sistemas

de microondas

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• Within the broader spectrum of radio frequency (RF) communications, point-to point communications are usually carried out using microwave frequencies between 1 GHz and 100 GHz along line-of-sight (LOS) paths called links.

• These frequencies and their propagation characteristics allow the transmission of vast amounts of data between remote communication sites without the need to lay cables between them.

• The characteristics of the antennas used in point-to point communication allow the same frequencies to be used throughout a system—that is, the system can employ high frequency reuse.

• These advantages give microwaves a special place in the world of RF engineering, where they are used in point-to-point wireless communications networks, satellite communications, radar systems and even radio astronomy.

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1.2 Definición y aplicación de los decibeles (dB).

• 1.2.1 db y dBm. (decibel y decibel miliwatt)

• 1.2.2 dBw y dbkw. (decibel watt y decibel kilowatt)

• 1.2.3 dBi. (decibel Isotropico)

• 1.2.4 dBd. (decibel dipolo)

• 1.2.5 dBV y dBuV (decibel volt y decibel microvolt)

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1.2.1 dB(decibel absoluto) 1.2.2 dBm, y dBw. (decibel relativo)

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El término dB o decibel, es una unidad relativa de medida frecuentemente utilizada en las telecomunicaciones para describir la ganancia o atenuación de potencia. Los decibeles se usan para medidas y cálculos específicos en si sistemas de audio, para cálculos de ganancia o pérdidas en sistemas de microondas, para análisis de enlaces en sistemas satelitales, para ganancias de potencia de antenas y para muchas más medidas en sistemas de comunicación. Existen también decibeles absolutos donde los dB se calculan con respecto a una referencia estándar o específica (dBm, dBw, dBi, dBd……..etc).

El decibel es adimensional, es decir, expresa una relación entre dos magnitudes pero no especifica una unidad. Fue originalmente definido por Graham Bell para cuantificar la relación de potencias entre la entrada y la salida de un sistema.

El dBm es una unidad de medida utilizada, principalmente, en telecomunicación para expresar la potencia absoluta mediante una relación logarítmica. Se define como el nivel de potencia en decibeles en relación a un nivel de referencia de 1 mW. El dBw se define como el nivel de potencia en decibeles en relación a un nivel de referencia de 1 W.

CALCULADORA

1.2.3 dBi (decibel Isotrópico) 1.2.4 dBd. (decibel dipolo)

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dBi refers to the decibel gain in relation to an "Isotropic Radiator." That is a theoretical antenna which radiates energy equally in all directions (as a perfect sphere.) dBd refers to decibel gain in relation to a dipole antenna. That antenna has a dBi gain of 2.15. So, an antenna that has a 4 dBd gain would be a 6.15 dBi gain antenna.

dBi = dBd + 2.15 dBd = dBi – 2.15

1.2.5 dBV y dBuV (decibel volt y decibel microvolt)

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dBV o dB(VRMS) (decibeles-voltis cociente de amplitud), voltaje absoluto en decibeles relativos a 1 V, independientemente de la impedancia.

dBmV o dB(mVRMS) (decibeles-milivolts, cociente de amplitud), voltaje absoluto en decibeles con respecto a un milivoltio, utilizado para medir la intensidad de la señal en RF y cables de audio. Esto es dBmV = 20log₁₀ (Voltaje(mV)/1 mV.

dBμV o dBuV (decibeles-micro volts, cociente de amplitud), voltaje absoluto en decibeles con relación a un micro voltaje, utilizado para medir la intensidad de la señal en RF y cables de audio. Es decir, dBμV = 20log₁₀

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• 1.3 Modos de transmisión.

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Por su modo de TX: Un modo de transmisión describe la forma en como fluye la información en un sistema punto a punto.

Los sistemas también se pueden clasificar por su mecanismo de flujo.

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Enlace directo: direct link

1.4 Técnicas de acceso Uno de los puntos más importantes en un sistema de comunicaciones es la forma en

cómo se accesa al medio de comunicación, por ello es necesario hacer uso de técnicas de acceso múltiple.

• Múltiple hace referencia a que muchos usuarios pueden establecer una comunicación simultáneamente.

• Esto es una gran cantidad de subscriptores comparten un conjunto de

canales de radio y cualquier usuario podría accesar a cualquiera de los canales disponibles esto dependiendo de la técnica de acceso múltiple utilizada.

• Una técnica de acceso múltiple define cómo se utiliza el espectro de frecuencias para crear y asignar los canales a los múltiples usuarios en el sistema

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• Access methods are multiplexing techniques that provide communications services to multiple users in a single-bandwidth wired or wireless medium

• Communications channels, whether they’re wireless spectrum segments or cable connections, are expensive. • There are five basic access or multiplexing methods: frequency division multiple access (FDMA), time division multiple access (TDMA), code division multiple access (CDMA), orthogonal frequency division multiple access (OFDMA), and spatial division multiple access (SDMA).

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Tipos de multiplexación o métodos de acceso al medio.

• Frecuencia (FDMA),Tiempo (TDMA), Código (CDMA)

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CDMA= Code División Multiplexing Access

Proceso de técnica de acceso (multiplexación): Proceso que permite que varios usuarios compartan un medio de transmisión

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1.4.1METODO DE ACCESO FDMA (Proceso de multiplexación y demultiplexación)

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TECNICA DE ACCESO FDMA (FDMA en el dominio del tiempo y en el dominio de la frecuencia)

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MULTIPLEXACION FDM (Nuevamente en el dominio de la frecuencia)

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MULTIPLEXACION FDM (FDM aplicada a la telefonía analógica)

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TECNICA DE ACCESO FDMA (FDM aplicado a enlaces de radio y satelitales)

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(Jerarquía de multiplexación analógica)

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MULTIPLEXACION FDM Aplicaciones de FDM en la radiodifusión AM y FM

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1.4.2 MULTIPLEXACION TDM (Conceptos de Multiplexación por división de tiempo)

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MULTIPLEXACION TDM ( Denominaciones)

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MULTIPLEXACION (TDM: Ejemplo_1 TDM SINCRONA)

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MULTIPLEXACION TDM (TDM: Ejemplos)

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MULTIPLEXACION TDM (Sincronización de tramas)

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MULTIPLEXACION TDM (Aplicaciones en la telefonía digital)

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MULTIPLEXACION TDM (PDH: Jerarquia digital plesiocrona)

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MULTIPLEXACION TDM (Multiplexación TDM en el estándar americano)

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MULTIPLEXACION TDM (Redes ópticas síncronas SDH)

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MULTIPLEXACION TDM (Multiplexación SDH)

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MULTIPLEXACION TDM (TDM Asíncrona)

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MULTIPLEXACION TDM (Ejemplo de aplicación de TDM asincrona)

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1.4.3 TECNICA DE ACCESO CDMA (Code Division Multiple Access) (Acceso Multiple por Division de Código)

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• "Code Division Multiple Access" (CDMA) es la tecnología digital inalámbrica más moderna que ha abierto la puerta a una nueva generación de productos y servicios de comunicación inalámbrica.

• Utilizando codificación digital y técnicas de frecuencias de radio de espectro amplio (RF), CDMA provee una mejor calidad de voz y más

privacidad, capacidad y flexibilidad que otras tecnologías inalámbricas. • CDMA permite que cada estación transmita en el espectro completo

de frecuencia todo el tiempo.

• En CDMA, cada tiempo de bit se subdivide en m intervalos cortos llamados chips. Comúnmente hay 64 o 128 chips por bit, pero en el ejemplo dado a continuación usaremos por sencillez 8 chips/bit.

TECNICA DE ACCESO CDMA (Code Division Multiple Access) (Acceso Multiple por Division de Código)

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TECNICA DE ACCESO CDMA

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TECNICA DE ACCESO CDMA

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TECNICA DE ACCESO CDMA (FHSS)

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• The principle of FHSS is quite simple: a wide frequency band is divided into multiple channels and communications are jumping (hopping) sequentially from one channel to another in a sequence and a rate agreed to advance between the transmitter and the receiver.

• It is difficult to intercept communications if we do not know the sequence chosen.

• A final advantage is that many of the FHSS communications may held simultaneously on the same frequency band as long as they use channel sequences not colliding with each other.

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1.5 TECNICAS DE MODULACION ANALOGICA

Modulación es un proceso en los sistemas de telecomunicaciones utilizado para mezclar dos señales; una de baja frecuencia (información) con una de alta frecuencia (portadora=carrier) obteniendo una señal modulada en la amplitud, frecuencia o fase de la portadora posibilitando su optima transmisión a través del espacio. Estas técnicas permiten un mejor aprovechamiento del ancho de banda de los medios de comunicación tanto; guiados como no guiados, haciendo posible transmitir más información en forma simultánea, además de mejorar la tolerancia contra posibles; ruidos o perturbaciones en la transmisión de la señal. Básicamente, la modulación consiste en hacer que un parámetro (amplitud, frecuencia o fase) de la onda portadora (que solo es analógica y periódica) cambie de valor de acuerdo con las variaciones de amplitud de la señal modulante, que es la información que queremos transmitir (se da amplitud modulada, frecuencia modulada o modulación en fase.

información

información Analógica periódica (senoidal) Portadora + información

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Razones para ocupar la modulación

1) Si todos los usuarios transmiten a la frecuencia de la señal original o moduladora (llamada, frecuencia base), no será posible reconocer la información inteligente contenida en dicha señal, debido a la interferencia entre las señales transmitidas por diferentes usuarios. 2) A altas frecuencias se tiene mayor eficiencia en la transmisión, de acuerdo al medio que se emplee. 3) Se aprovecha mejor el espectro electromagnético, ya que permite la multiplexación o multicanalización por frecuencias. 4) En caso de transmisión inalámbrica, las antenas tienen medidas más razonables en altas frecuencias. En resumen, la modulación permite aprovechar mejor el canal de comunicación ya que posibilita transmitir más información en forma simultánea por un mismo canal y/o proteger la información de posibles interferencias y ruidos.

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TECNICAS DE MODULACION En base al parámetro que varíe de la portadora y el tipo señal modulante, existen varios tipos de modulación.

Lineal AM De onda continua Angular PM Analógica FM (unidad 2) PAM PWM De pulsos PPM Modulación PCM ASK FSK Digital PSK, BPSK, QPSK (unidad 3) Mario-PSK QAM

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MODULACION EN AMPLITUD (AM)

En AM (DSB), se hace variar la amplitud de la señal portadora (carrier) en relación a las variaciones de amplitud de señal modulante (información).

Ver shaum pag 92 para análisis matemático

Ancho de banda en AM

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Ancho de Banda en AM de una estación de radio comercial es de 10 KHz; 5 KHz arriba y 5KHz abajo de la frecuencia de la señal

portadora

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MODULACION ANGULAR (FM , PM)

• En AM la amplitud de la señal portadora sigue las variaciones de amplitud de la señal modulante (señal en banda base). Mantiene constante frecuencia y fase de la portadora.

• En la modulación angular, es la fase (entre comillas) de la portadora la

que sigue las variaciones de amplitud de la modulante ( base de la información). Mantiene constante amplitud de la portadora.

• Las modulaciones angulares permiten discriminar (tolerar) de forma mas

eficiente el ruido y las interferencias, cosa que no hace la AM • Hay dos tipos de modulación angular: PM (modulación en fase) y FM

(modulación en frecuencia). Los dos son muy similares y están relacionados entre sí. Sin embargo, FM posee características más adecuadas frente al ruido, siendo éste el mayormente utilizado sobre la PM.

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FM: Modulación en frecuencia

En FM, se hace variar la FRECUENCIA de la señal portadora en relación a las variaciones de amplitud de la señal modulante

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Espectro de frecuencias en FM en radiobroadcasting

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La banda de radio FM va desde 88 a 108 MHz -entre los canales de televisión VHF 6 y 7-. Las estaciones de FM tienen asignadas frecuencias centrales empezando en 88,1 MHz, con una separación de 200 khz, y un máximo de 100 estaciones. Estas estaciones de FM tienen una desviación máxima de su frecuencia central de 75 kHz, lo cual deja unas "bandas guardas" superior e inferior de 25 kHz, para minimizar la interacción con las bandas de frecuencias adyacentes.

1.6 Técnicas de modulación digital

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En esencia, las comunicaciones electrónicas son la transmisión, recepción y procesamiento de información usando circuitos electrónicos. Se define a la información como el conocimiento o las señales inteligentes comunicados o recibidos.. La información se propaga a través de un sistema de comunicaciones en forma de símbolos que pueden ser analógicos (proporcionales), como la voz humana, la información de las imágenes de video, o la música; o bien pueden ser digitales (discretos), como los números codificados en sistema binario, los códigos alfanuméricos, los símbolos gráficos, los códigos de operación de microprocesadores o la información de bases de datos.

En el contexto de este curso, los sistemas digitales de comunicaciones (o sistemas de comunicaciones digitales) incluyen a aquellos en los que hay portadoras analógicas de frecuencia relativamente alta, que se modulan mediante señales de información digital de relativamente baja frecuencia, y a los sistemas que manejan la transmisión de pulsos digitales.

Why digital modulation

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In an analog communication system, the fidelity of the signal must be maintained between the transmitter and the receiver. Any interference, distortion or noise will have a direct impact upon the signal quality at the receiver. In a digital communication system, the role of the receiver is to decide which symbol from a pre-defined alphabet of symbols has been sent. For instance, in a binary signalling system (signals are encoded either ‘1’ or ‘0’), the receiver must decide whether a ‘1’ or ‘0’ was sent. In a very simple system, this could be achieved using threshold detection. In the illustration above, it is evident that in the presence of a small amount of noise, the receiver can easily determine the bits in the data stream that was sent.

Teorema de Shannon

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La capacidad de información de un sistema de comunicaciones representa la cantidad de símbolos independientes que pueden transportarse por el sistema en determinada unidad de tiempo. El símbolo binario más básico es el dígito binario o bit. En consecuencia, conviene con frecuencia expresar la capacidad de información de un sistema en bits por segundo, o bps. En 1928, R. Hartley, de Bell Telephone Laboratories, desarrolló una relación útil entre la amplitud de banda, el tiempo de transmisión y la capacidad de información. El planteamiento sencillo de la ley de Hartley es

Se ve, en la ecuación , que la capacidad de información es una función lineal del ancho de banda y del tiempo de transmisión, y es directamente proporcional a ambos. Si cambia la amplitud (ancho) de la banda o el tiempo de transmisión, se tendrá un cambio directamente proporcional de capacidad de información.

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C. E. Shannon (también de Bell Telephone Laboratories) publicó en 1948 un trabajo en el Bell System Technical Journal donde se relacionaba la capacidad de información de un canal de comunicaciones con el ancho de banda y la relación de señal a ruido. El enunciado matemático del límite de Shannon, de capacidad de información, es:

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ASK: Amplitud shift keying) FSK: Frequency shift keying)

ASK Y FSK

PSK: Phase shifth keying (Diagramas de constelación)

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BPSK: BI—PSK QPSK: QUATERNARY PSK Mario-PSK (8-PSK)

Signal constellation diagram or constellation diagram is the diagram used to representation of a signal modulated by a digital modulation (PSK Y QAM) and so Signal Constellation diagrams are used only in digital signal/technical. Constellation diagram can be used to recognize the type of modulation, type of interference effect to signal and distortion in a signal… They are very important in telecommunications.

Modulación digital PSK Phase shift keying: Modulación por corrimiento de fase

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PSK (varia solo fase)

BPSK: Binary PSK (solo 2 fases)

QPSK:Quaternary PSK (4 fases)

Mario-PSK M-ario PSK (2n fases) • 8-PSK • 16-PSK • 32-PSK • 64-PSK • 128-PSK • 256-PSK • 512-PSK o QAM • 1024-PSK o QAM

QAM: Quadrature Amplitude Modulation: Modulación de amplitud en cuadratura (varia fase y amplitud)

QAM: Quadrature Amplitude Modulation.

La modulación QAM es una modulación en amplitud y fase conocida como modulación en cuadratura. Acá será modificada la portadora en amplitud y fase, atendiendo a la señal moduladora. Este proceso de mezclado da lugar a la señal modulada. Así, se pueden obtener distintas combinaciones de amplitud y fase, dando lugar a los diferentes tipos de modulación QAM que existen: 8-QAM, 16-QAM, 32-QAM, 64-QAM, 128-QAM, 256-QAM; donde los números indican las posibles combinaciones de amplitud y fase.

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Diagramas de constelación para M-ario PSK

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16QAM

64QAM

32 QAM

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1.7 JERARQUIAS DE MULTIPLEXACION

1.7.1 E1. 1.7.2 T1.

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T1 y E1 son sistemas de portadoras digitales de comunicaciones, que usa pulsos digitales y no señales analógicas. Una portadora T1 multiplexa por división de tiempo muestras codificadas PCM de 24 canales de banda de voz, para transmitirlas por un solo conductor de par metálico o una línea de transmisión de fibra óptica

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JERARQUIA T1

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JERARQUIA E1

1.8 Componentes de un sistema de microondas

The basic building blocks of a microwave communication system are shown in Figure. They include a microwave radio transmitter connected to a directional antenna via a transmission line. The directional antenna’s outbound signal is aligned to a distant receiving antenna, which is connected to a radio receiver.

The basic components that allow LOS microwave communications

• The radio (both ends): Each end of the link has its own radio unit, typically with both transmission (TX) and receiving (RX) capabilities. A typical microwave radio uses about 1 watt of power or less (30 dBm). A radio’s throughput usually ranges between 100 and 300 Mbps within a 50 MHz bandwidth, depending on the kind of modulation used (IDU and ODU).

• Transmission lines (both ends): These are the physical media connecting the radio and directional antenna, and may be coaxial cable, waveguides, optical fiber

• The antenna (both ends): A microwave system’s directional antenna is typically parabolic in shape, as this permits the greatest focus of energy possible in a single beam. They are usually polarized, vertical or horizontal, based on the location of their feed connection. The size of the antenna’s dish is a key part of its design, function and role within the network. Bigger antenna dishes yield greater power, but they are more difficult to install and introduce limitations regarding tower space, tower loading, leasing costs and local zoning regulations.

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