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Construcción de banco de comunicaciones digitales parte 3 - Monografía



 
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Consideraciones del ancho de banda para el QAM de ocho


En el 8-QAM, la tasa de bits, en los canales I y Q, es un tercio de la tasa binaria de entrada, al igual que con el 8-PSK. Como resultado, la frecuencia de modulación fundamental más alta y la razón de cambio de salida más rápida en 8-QAM, son iguales que para el 8-PSK. Por tanto, el mínimo ancho de banda requerido para 8-QAM es fb/3, al igual que en el 8-PSK.

Receptor de QAM de ocho



Un receptor de 8-QAM es casi idéntico al receptor de 8-PSK. Las diferencias son los niveles PAM, en la salida de los detectores de producto, y las señales binarias a la salida de los convertidores análogo a digital. Debido a que hay dos amplitudes de transmisión posibles, con 8-QAM, que son diferentes de aquellas factibles con el 8-PSK, los cuatro niveles PAM demodulados son diferentes de aquellos en 8-PSK. En consecuencia, el factor de conversión para los convertidores analógico a digital, también tienen que ser diferentes. Además, con el 8-QAM las señales de salida binarias del convertidor analógico a digital, del canal I, son los bits I y C, y las señales de salida binarias del convertidor analógico a digital, del canal Q, son los bits Q y C.

QAM DE DIECISÉIS (16-QAM)



Así como en 16-PSK, el 16-QAM es un sistema M-ario, en donde M= 16. Actúa sobre los datos de entrada en grupos de cuatro (24 = l6). Como con el 8-QAM, tanto la fase y la amplitud de la portadora transmisora son variados.
Transmisor QAM de dieciséis

El diagrama a bloques para un transmisor de 16-QAM se muestra en la figura 16. Los datos de entrada binaria se dividen en cuatro canales: El I, I’, Q y Q’. La tasa de bits de rada canal es igual a un cuarto de la tasa de bits de entrada (fb/4).

FIGURA 16



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Consideraciones del ancho de banda para el QAM de dieciséis



Con el l6-QAM, ya que los datos de entrada se dividen en cuatro canales, la tasa de bits en el canal I, I’, Q o Q’ es igual a un cuarto de la tasa de datos de entrada binarios (fb/4). (El derivador de bits estira los bits I, I’, Q y Q’, a cuatro veces su longitud de bits de entrada). Además, debido a que estos bits tienen salidas de manera simultánea y en paralelo, los convertidores de nivel 2 a 4 ven un cambio en sus entradas y salidas a una fase igual a un cuarto de la tasa de datos de entrada.

RESUMEN DE FSK, PSK Y QAM



Las distintas formas de FSK, PSK y QAM se resumen en la tabla 1

TABLA 1: RESUMEN DE LA MODULACIÓN DIGITAL


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RECUPERACIÓN DE LA PORTADORA



La recuperación de la portadora es el proceso de extraer una portadora de referencia coherente, en fase, de una señal recibida. A esto se le llama, a veces, referencia de fase. En las técnicas de modulación en fase los datos binarios fueron codificados como fase precisa de la portadora transmitida. Dependiendo del método de codificación, la separación angular entre los fasores adyacentes varió entre 30º y 180°. Para demodular correctamente los datos, se recuperó y comparó una portadora de fase coherente, con la portadora recibida, en un detector de producto. Para determinar la fase absoluta de la portadora recibida, es necesario producir una portadora en el receptor que sea coherente, en fase, con el oscilador de referencia transmitida. Esta es la función del circuito de recuperación de la portadora.

Circuito cuadrado



Uno de los métodos que se utiliza para lograr la recuperación de la portadora BPSK, quizá el más común, es el circuito cuadrado. La figura 17 muestra el diagrama a bloques para un circuito cuadrado. La forma de onda de BPSK recibida, se filtra y luego se eleva al cuadrado. La filtración reduce el ancho del espectro del ruido recibido. El circuito cuadrado quita la modulación y genera la segunda armónica de la frecuencia de la portadora. Esta armónica se rastrea con la fase por el PLL. La frecuencia de salida del VCO del PLL se divide luego entre 2 y se utiliza como la referencia de fase para los detectores de producto.

FIGURA 17



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- TRANSMISIÓN POR DESPLAZAMIENTO DE FASE DIFERENCIAL (DPSK)



La transmisión por desplazamiento de fase diferencial (DPSK), es una forma alterna de modulación digital en donde la información de entrada binaria está contenida en la diferencia, entre dos elementos sucesivos de señalización, en lugar de la fase absoluta. Con DPSK no es necesario recuperar una portadora coherente en fase. En lugar de eso, se retarda un elemento de señalización por una ranura de tiempo y luego se compara al siguiente elemento recibido de señalización. La diferencia, en fase, de los dos elementos de señalización determina la condición lógica de los datos.

BPSK DIFERENCIAL (DBPSK)



Transmisor de DBPSK



La figura 18 se muestra un diagrama de bloques simplificado para un transmisor de transmisión por desplazamiento de fase binaria diferencial (DBPSK). Un BIT de información entrante usará  la XNOR con el BIT anterior, antes de entrar al modulador de BPSK (modulador balanceado). Para el primer BIT de datos, no hay un BIT anterior con el cual comparar. Por tanto, se asume un BIT de referencia inicial.

FIGURA 18



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Receptor de DBPSK


La figura 19 muestra un diagrama de bloques para un receptor de DBPSK. La señal recibida se retarda por un tiempo de BIT, luego se compara con el siguiente elemento de señalización en el modulador balanceado. Si son iguales, se genera un 1 lógico (voltaje +). Si son diferentes, se genera un 0 lógico (voltaje -1). Si se supone incorrectamente la fase de referencia, sólo el primer BIT demodulado está en error. La codificación diferencial se puede implantar con esquemas de modulación digital más alta que el binario, aunque los algoritmos diferenciales son mucho más complicados que para el DBPSK.

FIGURA 19



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La ventaja principal del DPSK es la simplicidad con la que se puede implantar. Con DPSK, no se necesita circuito de recuperación de la portadora. Una desventaja del DPSK es que requiere de entre 1 y 3 dB más de relación señal a ruido para alcanzar la misma tasa de errores de bits que el PSK absoluto.

RECUPERACIÓN DEL RELOJ



Como con cualquier sistema digital, el radio digital requiere de un tiempo preciso o de sincronización de reloj, entre los circuitos de transmisión y recepción. Debido a esto, es necesario regenerar los relojes en el receptor que están sincronizados con los del transmisor.

La figura 20 a muestra un circuito sencillo que se utiliza casi siempre para recuperar información del reloj de los datos recibidos. Los datos recuperados se retardan por la mitad de tiempo de BIT y luego se comparan con los datos originales en un circuito XOR. La frecuencia del reloj que se recupera con este método es igual a la tasa de datos recibidos (fb).

FIGURA 20



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PROBABILIDAD DE ERROR Y TASA DE ERROR DE BIT



La probabilidad de error P(e) y la tasa de error de BIT (BER), a menudo se utilizan en forma intercambiable, aunque en la práctica si tienen significados un poco distintos. P(e) es una expectativa teórica (matemática) de la tasa de error de BIT para un sistema determinado. BER es un registro empírico (histórico) del verdadero rendimiento de error de BIT en un sistema.

Rendimiento de error de PSK



El rendimiento de error de BIT para los distintos sistemas de modulación digital multifase está directamente relacionado con la distancia entre puntos en un diagrama de espacio de estado de la señal. Para los sistemas de PSK, la fórmula general para los puntos del umbral es:

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En donde M es el número de estados de señal.

Para PSK, la fórmula general para la distancia máxima entre puntos de señalización se da por

6163.gif(9)

en donde

d  =  distancia de error
M =  número de fases
D  =  amplitud pico de la señal
resolviendo para d

d  =  2D sen(180º/M)            10)

Los niveles más altos de modulación (por ejemplo, entre mayor sea el valor de M) requieren de una mayor relación de la densidad de potencia de energía por BIT a ruido, para reducir el efecto de la interferencia de ruido. En consecuencia, entre más alto sea el nivel de modulación más pequeña será la separación angular entre puntos de señal, y más pequeña la distancia de error. La expresión general para la probabilidad de error del BIT de un sistema PSK de fase-M es:

en donde:

6164.gif(11)

con

6165.gif (12)

en donde     Eb/N0 = relación de densidad de potencia de energía por BIT a ruido
C/N     =  relación de potencia de portadora a ruido
B/fb     =  relación del ancho de banda de ruido a la tasa de bits

Sustituyendo la ecuación 11 puede mostrarse que QPSK proporciona el mismo rendimiento de error que el BPSK. Esto se debe a que la reducción en 3dB, en distancia de error para QPSK, se desplaza por la reducción en 3dB en su ancho de banda. Por tanto, ambos sistemas proporcionan un rendimiento óptimo.

Rendimiento de error del QAM



Para un gran número de puntos de señal (por ejemplo, sistemas M-ario mayores a 4), el QAM funcionará mejor que el PSK. Esto se debe a que la distancia, entre dos puntos de señalización en un sistema de PSK, es más pequeña que la distancia entre puntos en un sistema QAM comparable. La expresión general para la distancia entre puntos de señalización adyacentes para un sistema QAM con nivel L en cada eje es

61631.gif(13)

en donde        d  =  distancia de error
L  =  número de niveles en cada eje
D  =  amplitud pico de la señal

Al comparar la ecuación 10 con la ecuación 13, puede verse que los sistemas QAM tienen una ventaja sobre los sistemas PSK, con el mismo nivel de potencia de la señal pico.

La expresión general para la probabilidad de error de BIT de un sistema QAM de nivel L es

6167.gif (14)
en donde         erfc(z) = función de error complementaria

6168.gif(15)

La figura 21 muestra el rendimiento de error para los sistemas QAM de 4, 16, 32 y 64 como función de Eb/N0. La tabla 2 indica las mismas relaciones de potencia de la portadora a ruido y las relaciones de la densidad de potencia de energía por BIT a ruido, para una probabilidad de error de 10-6 para varios esquemas de modulación PSK y QAM.

FIGURA 21



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 TABLA 2: COMPARACIÓN DEL RENDIMIENTO DE VARIOS ESQUEMAS PARA MODULACIÓN DIGITAL (BER = 10-6)



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Rendimiento de error del FSK



La probabilidad de error para los sistemas FSK se evalúa en forma un tanto diferente a los PSK y QAM. Hay en esencia sólo dos tipos de sistemas FSK: no coherente (asíncronos) y coherentes (síncronos). Con FSK no coherente, el transmisor y el receptor no están sincronizados en frecuencia o fase. Con FSK coherente, las señales de referencia del receptor local están cerradas, en frecuencia y en fase, con las señales transmitidas. La probabilidad de error para FSK no coherente es:

6172.gif (16)

La probabilidad de error para FSK coherente es

6173.gif(17)

FIGURA 22



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La figura 22 muestra las curvas de probabilidad de error, para FSK coherente y no coherente para varios valores de Eb/N0. De las ecuaciones 16 y 17 puede determinarse que la probabilidad de error para FSK no coherente es mayor que la del FSK coherente para iguales relaciones de la densidad de potencia de energía por BIT a ruido.


11. METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN



- INVESTIGATIVA



FORMATO ENCUESTA



Tecnológica Autónoma del Pacífico
Encuesta para Electrónica y Telecomunicaciones.

Nombre:
Carrera:    Semestre:
Marca con una X su respuesta adecuada de acuerdo a sus conocimientos en Electrónica y Comunicaciones.

1.    Considera usted importantes los Sistemas de Comunicaciones?
- Si
- No

2.    Conoce usted un Sistema de Comunicaciones Digitales?
- Si
- No

3.    Sabe como se establece una comunicación por Medios Guiados o Lógicos?
- Si
- No

4.    Cómo le gustaría que fueran sus clases de Redes y Telecomunicaciones?
- Prácticas
- Teóricas
-  Ambos términos

5.    Cómo le gustaría realizar sus Prácticas en clase para los Sistemas de Comunicación Digital?
- Supervisión del Docente
- Manual del Usuario
- Ambos términos

6.    Le gustaría conocer el Principio de Funcionamiento de una comunicación Digital observando y midiendo las características que se presentan?
- Si
- No

7.    Conoce usted elementos para medir y visualizar los diferentes tipos de señales de comunicación?
- Si
- No
Cuales:

8.    Considera importante que la Tecnológica Autónoma del Pacífico posea elementos con los que se pueda realizar practicas de Comunicaciones Digitales?
- Si
- No
- No sabe, no responde

9.    En cual sede de la Tecnológica Autónoma del Pacífico le gustaría realizar sus practicas de comunicaciones?
- Sede Principal
- Sede Antigua
- Sede Alterna

- INVESTIGATIVA DESCRIPTIVA



TABULACIONES DE LA ENCUESTA



1.    Considera usted importante los Sistemas de Comunicaciones



- Si
- No
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El  100% (cien por ciento) de los estudiantes opina que es importante las comunicaciones ya que son la base de la tecnología.

2.    Conoce usted un Sistema de Comunicaciones Digitales?



- Si
- No
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Los Sistemas de Comunicaciones Digitales son demasiado importantes en el manejo técnico del Alumno para que pueda tener un Contacto llevando a cabo diversas pruebas durante su Horario de Clase.
Por tal motivo se aprecia que el 67% de los estudiantes de la TAP conoce un sistema de comunicación digital.


3.    Sabe como se establece una comunicación por Medios Guiados o Lógicos?



- Si
- No

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Para llevar a cabo una Verdadera Practica, debe saber como es que se puede transmitir la Información por lo que existen diferentes MEDIOS GUIADOS para realizar un Enlace Físico entre un TRANSMISOR y un RECEPTOR; por otra parte también se transmiten MEDIOS LÓGICOS, los cuales pertenecen a un Procesamiento de Datos los cuales utilizan de otros componentes con Diferentes Características. Detectamos entonces que solo un 50% de los estudiantes conocen estos tipos de medios.

4.    Cómo le gustaría que fueran sus clases de Redes y Telecomunicaciones?



- Prácticas
- Teóricas
-  Ambos términos

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Las clases teórico-practicas son al parecer el mejor medio de que el docente llegue al alumno;  aunque existe una fuerte tendencia a que las clases sean practicas.

5.    Cómo le gustaría que fueran sus clases de Redes y Telecomunicaciones?



- Prácticas
- Teóricas
-  Ambos términos

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Los Alumnos de la TAP desean llevar a cabo Practicas, siempre y cuando, estén asesorados por un Docente el cual despeja las dudas teóricas. Esta característica se observa con un 73% de los encuestados





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