SISTEMAS ELECTRONICOS DE COMUNICACIÓN CONCEPTOS BÁSICOS RUBEN DARIO CARDENAS ESPINOSA DSc. PhD. Ingeniero Electrónico INSTRUCTOR
SISTEMAS ELECTRONICOS DE COMUNICACIÓN
CONCEPTOS BÁSICOS
RUBEN DARIO CARDENAS ESPINOSA
DSc. PhD. Ingeniero Electrónico
INSTRUCTOR
- Comunicaciones
Comunicación: proceso de transmisión y recepción de ideas, información y mensajes Transmisión: envío de señales desde un lugar a otro a través de un medio apto de desplazamiento.
Elementos Básicos de las Comunicaciones
Sistema de Codificación de Mensajes
Protocolo de Comunicación
Emisor
Receptor
Canal
Elementos Básicos de las Comunicaciones
Sistema de Codificación de Mensajes
Protocolo de Comunicación
Emisor Receptor
Canal
Codifica Decodifica
Modula Demodula
Elementos Básicos de las Comunicaciones
Sistema que:
• codifica un mensaje mediante un sistema de codificación predefinido
• modula (transforma) el mensaje en una señal apta para ser transmitida
• transmite el mensaje a un canal en forma de señales
EMISOR
Elementos Básicos de las Comunicaciones
CANAL
• Vía de comunicación que contempla los aspectos:
• Físico: dedicado a la generación, transmisión y detección de señales codificadas con información, buscando: Velocidad y Calidad: aptitud de reconocer señales sin error
• Lógico (o de información): dedicado a la forma de codificar información en las señales
Los canales se encuentran expuestos a la entropía.
Entropía: Término tomado prestado de la termodinámica para designar intuitivamente el grado de
‘desorden’ en un sistema de comunicaciones (ruido, interferencia)
Elementos Básicos de las Comunicaciones
Sistema que
–detecta señales en el canal
–demodula (transforma la señal recibida en mensaje)
–decodifica
RECEPTOR
Elementos Básicos de las Comunicaciones
Compuesto por
– conjunto de símbolos
– conjunto de reglas sintácticas
– conjunto de reglas semánticas
para generar mensajes. En sistemas de telecomunicaciones este tema es tratado por la Teoría Matemática de la Información.
SISTEMA DE CODIFICACIÓN DE MENSAJES
Elementos Básicos de las Comunicaciones
• Son conjuntos de normas para el intercambio de información, consensuadas por las partes comunicantes.
• Hay protocolos de muy diversos tipos
– asegurar que el orden de los paquetes recibidos concuerde con el de emisión.
– a garantizar que los datos enviados por una computadora se visualicen correctamente en el equipo receptor.
PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN
Proceso de Comunicación
1. establecer un canal
2. establecer comunicación
3. transmitir señales
4. verificar que haya sido recibido
5. finalizar la transmisión
6. cortar el canal
Organismos de Estandarización
• EIA/TIA: Asociación de Industrias Electrónicas y Asociación de la Industria de Telecomunicaciones.
• IEEE: Instituto de Ingenieros Electricistas y Electrónicos.
• FCC: Comisión Federal de Comunicaciones.
• ITU: Unión Internacional de Telecomunicaciones.
Sistemas de Telecomunicaciones
• Enlaces: Analógicos y Digitales
• Canales: – Tipos: Materiales e Inmateriales – Administración: Directo y Conmutado – Operación: Simplex, Half Duplex y Full Duplex
• Transmisión:
– Modos: Sincrónico y Asincrónico – Tecnologías:
CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS
Tipos de Enlaces
Conexión real entre dos nodos en una red
• Analógico (continuo): Sistema que detecta midiendo los distintos valores de los estados que adopta sistema emisor; y los transmite en forma continua y análoga en cada instante de tiempo.
• Digital (discreto): Sistema que detecta los distintos valores medidos de los estados que adopta el sistema emisor; los codifica en forma de números discretos y transmite estos códigos.
Tipos de Canales
• Materiales: Propagación de señales eléctricas por conductores o cables de Plata, Oro, Cobre; o señales lumínicas como la fibra de vidrio o fibra plástica.
• Inmateriales: Radiación electromagnética de ondas producidas por la oscilación o la aceleración de cargas eléctricas (radio frecuencias RF)
Administración de Canales
• Directo: Se establece contacto directo entre dos corresponsales en forma permanente.
• Conmutado: Se establece contacto a través de un conmutador que se encarga de vincular dos corresponsales en forma transitoria. – Por Circuito o Línea (Teléfono)
– Por Mensaje (Telex)
– Por Paquete (Datos) (ATM - Frame Relay)
Operación de Canales
Duplex
Simplex
Full-Duplex
Sentido de la circulación de los mensajes
Half-Duplex
TIPOS DE TRANSMISIÓN
Transmisión Simplex
En un solo sentido. siempre existen un nodo emisor y un
nodo receptor que no cambian sus funciones.
Tipos de Transmisión
Transmisión Half-Duplex
Se produce en ambos sentidos pero NO alternativamente,
en un solo sentido a la vez. Si se está recibiendo datos no
se puede transmitir.
Tipos de Transmisión
Transmisión Full-Duplex
Se produce en ambos sentidos al mismo tiempo. un extremo
que esta recibiendo datos puede al mismo tiempo, estar
transmitiendo otros datos.
Modos de Transmisión
• Sincrónico: El emisor y el receptor disponen de una misma referencia de tiempo para depositar y recolectar la información. Las señales que no se tomen a tiempo se pierden. Se utilizan para transmitir gran cantidad de información a alta velocidad. Existen de dos formas:
– Serial: el canal está compuesto de un solo hilo, por donde se canaliza en forma secuencial las series de bits que conforman un byte.
– Paralelo: el canal está compuesto por varios hilos, pudiendo ser de 8 bits, 16, 32, etc.
• Asincrónico: No existe referencia común de tiempo entre el emisor y el receptor. Se los utiliza para transmisiones de caudal reducido e irregular.
Tecnologías de Transmisión
• Analógicos – Modulación de Amplitud (AM)
– Modulación de Frecuencia (FM)
– Modulación de Fase (PM)
– Banda Ancha (DSL)
• Digitales – Banda Base (Video Compuesto)
Radiación Electromagnética
• La circulación de cargas eléctricas por un conductor, genera alrededor del mismo una radiación magnética que se propaga por el aire.
• Una radiación magnética que incide en un conductor, induce en este una circulación de cargas eléctricas.
Ondas Electromagnética
Forma con la que la radiación electromagnética (energía) se propaga por el espacio.
• Amplitud (A): Desplazamiento máximo de un punto respecto de la posición de equilibrio (punto en el que la onda pasa de positiva a negativa y viceversa.
• Longitud de onda (λ): Distancia entre dos puntos análogos consecutivos. Se mide en metros (m).
• Frecuencia (f): Número de ciclos o vibraciones por unidad de tiempo. Se mide en hercios (Hz).
• Período (T): Tiempo invertido en efectuar un ciclo o vibración completa. Se mide en segundos (seg).
• Velocidad (v): Velocidad con que se propaga la onda.
Espectro de Radio Frecuencia (RF)
Según la longitud de onda, la radiación electromagnética recibe diferentes nombres.
Conjunto de ondas electromagnéticas que se propagan de forma ondulatoria a velocidad constante de 300.000 km/s.
Sistema de Transmisión de RF
EMISOR
Modulador
An
ten
a
Oscilador
Transmisor
Radio Frecuencia
portadora
Señal Modulada
Información
RECEPTOR
Demodulador
An
ten
a
Sintonizador
Señal Modulada
Información
Onda Portadora
• Señal, generalmente de forma senoidal, que es modulada (transformada) por otra señal de información que se quiere transmitir.
• Es de una frecuencia mucho más alta que la de la señal a modular
Modulación por Amplitud (AM)
Modulación por Frecuencia (FM)
Modulación por Fase (PM)
Animación de Modulación
VALOR EFICAZ FUNCIÓN SENOIDAL
VALOR EFICAZ DE UNA FUNCIÓN PERIÓDICA
)cos()( tVtv m
T
eficaz dttfT
f
0
2)(1
)(tf
t
0 2 4 6 8
-10
-5
0
5
10
)(tv
t
T
2
meficaz
VVV
También denominado valor RMS
mV
FASORES
Una función sinusoidal del tiempo de una frecuencia determinada se caracteriza
únicamente con dos parámetros, su amplitud y su ángulo de fase.
La representación compleja de dicha función (de una frecuencia
determinada) se caracteriza también con esos dos mismos
parámetros.
)( Re tjm eV
El fasor es una representación compleja abreviada en la que, una
vez establecida la frecuencia, se omite ésta representando la
función sinusoidal por el VALOR EFICAZ de la misma y su
ÁNGULO DE FASE:
/VFORMA POLAR jeV FORMA COMPLEJA
Fórmula de Euler sencos je j
tVm cosLa función se puede representar como
VALOR EFICAZ
Re
Im
Los fasores pueden interpretarse como vectores rotatorios que
giran con frecuencia angular en sentido contrario a las
agujas del reloj.
1V
2V
atRe
Im 1V
2V
bt
La relación de fases entre ellos permanece invariable
FASORES
Fasores representados en t = 0
0 2 4 6 8
-10
-5
0
5
10
0 2 4 6 8
-10
-5
0
5
10
0 2 4 6 8
-10
-5
0
5
10
º0/
0
2
10
2
10
jj eeV
)cos( tVm 0 10 mV
jeeV jj
2
10
2
10 2/
2/ 10 mV
Re
Im
º90/2
10
º0/2
10
FASORES (EJEMPLO)
Re
Im
jeZZ
2/ jeZ
Zj
Multiplicar Z por j equivale
a ADELANTAR /2 su fase
Dividir Z entre j equivale a
RETRASAR /2 su fase
SON VÁLIDAS LAS MISMAS OPERACIONES DEFINIDAS EN EL
ÁLGEBRA DE NÚMEROS COMPLEJOS
Re
Im
1Z
2Z
2
2
1
Z
Z
22
Multiplicación: multiplicar
módulos, sumar fases
División: dividir módulos,
restar fases
OPERACIONES CON FASORES
Derivación de funciones sinusoidales
0 2 4 6 8 10 12 14
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
2cossen
)( tt
dt
tdv
ttv cos)(
0 2 4 6 8 10 12 14
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
v(t)
t 0 2 4 6 8 10 12 14
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
Re
Im
V
jV
Derivar v(t)
equivale a
MULTIPLICAR
por el fasor V y
ADELANTAR /2
su fase (Representación gráfica suponiendo por
simplicidad =1. Unidades arbitrarias)
OPERACIONES CON FASORES
Integración de funciones sinusoidales
0 2 4 6 8 10 12 14
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
2cos
1sen
1)(
ttdttv
ttv cos)(
v(t)
t 0 2 4 6 8 10 12 14
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
V/j
Integrar v(t) equivale
a DIVIDIR por el
fasor V y ATRASAR
/2 su fase
(Representación gráfica suponiendo por
simplicidad =1. Unidades arbitrarias)
0 2 4 6 8 10 12 14
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
Re
Im
V
OPERACIONES CON FASORES
Representación compleja
(función del tiempo)
)cos()( tVtv m
0 )(tv
jm eV
V
2/
ttt
= 0
> 0
ADELANTA
< 0
ATRASA
)(0 tv
t
)( Re)( tjm eVtv
Representación fasorial
(función de frecuencia dada)
//
2
mVV
FUENTES DE VOLTAJE SINUSOIDALES
Re
Im
jm eV
V 2
las representaciones...
...contienen la misma información que
Si la frecuencia es conocida...
tt
)(0 tv
t
tt
)(tv
t
Vm Vm
Re
Im
jm eV
V 2
FUENTES DE VOLTAJE SINUSOIDALES
Condensador (capacidad C).
Su impedancia compleja es
CjXjZ CC
1
Donde XC es la reactancia
capacitiva, se expresa en
Bobina ideal (inductancia L).
Su impedancia compleja es
jLXjZ LL
Donde XL es la reactancia
inductiva, se expresa en
Resistencia óhmica
Número real
(R, medida en )
0
Fuente de tensión alterna ideal.
Representada por el fasor
jm eV
V 2
Relación entre frecuencia f
y pulsación: f 2
ELEMENTOS DE UN CIRCUITO
Si Im adopta el máximo valor cuando LC
10 ... también Ieficaz es máxima
R
XX
R
CL
CL
00
1
tg
222
00
2 1 CL
mmm
XXR
V
CLR
VI
A la frecuencia a la que XL = XC
Im adopta el máximo
valor posible
0
00
1
CL Pulsación de resonancia
LC
10
RESONANCIA CIRCUITO SERIE
22 1
CLR
VI
eficazeficaz
EJEMPLO:
Circuito RCL serie con L = 1 H,
C = 100 F y Veficaz = 5 mV.
rad/s 100101
11
40
LC
90 92 94 96 98 100 102 104 106 108 110
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
I efic
az (
mA
)
0 (rad/s)
2R
5R
10R
A medida que disminuye el valor de la
resistencia el pico de resonancia se hace más
agudo
Factor de calidad
R
LQ 00
RESONANCIA CIRCUITO SERIE
)()()( titvtp
tVtv m cos)(
)cos()( tIti m
)cos(cos)( ttIVtp mm )2cos(cos2
1 tIV mm
Potencia promedio: El valor promedio de )2cos( t es nulo.
Factor de potencia
coscos2
1eficazeficazmmpromedio IVIVP
Z
Rcos ZIV eficazeficaz
POTENCIA EN CORRIENTE ALTERNA
TRIÁNGULO DE POTENCIAS
Z
Rcos
/I
º0/V
*IVS */º0/ IV
Z/ 0
/º0/ IV
cosRe eficazeficaz IVPS
sencos jIVS eficazeficaz
Potencia activa (W)
Potencia aparente (V·A)
ZIIVS eficazeficazeficaz 2
Potencia reactiva (VAR)
senIm eficazeficaz IVQS
SIm
SRe
S
POTENCIA EN CORRIENTE ALTERNA
Un transformador es un conjunto de bobinados que comparten el mismo flujo
magnético.
El paso de AC por uno de ellos produce en cambio de flujo magnético, el cual a su vez
origina un cambio de voltaje en el resto.
V1 V2
N1 N2
Para mantener el campo magnético
confinado en los bobinados, éstos se
arrollan sobre un núcleo ferromagnético
dt
dNV
11
dt
dNV
22
2
1
2
1
N
N
V
V
Usando una relación apropiada puede elevarse o disminuirse el voltaje
2
1
N
N
TRANSFORMADORES
V1 V2
I1
I1
I2
I2
cos VIPOTENCIA
2211 VIVI
A diferencias de potencial bajas corresponden altas intensidades, y viceversa
Para el transporte de corriente conviene que la intensidad sea lo más baja posible
(disminución de pérdidas por efecto Joule)
TRANSFORMADORES
Joseph A. Edminister. Circuitos eléctricos. Teoría y 391 problemas resueltos
(2ª edición). Serie Schaum. Editorial McGraw-Hill.
William H. Hayt, Jr y Jack E. Kemmerly. Análisis de circuitos en ingeniería.
Editorial McGraw-Hill.
BIBLIOGRAFIA