PDF de programación - Comunicaciones digitales en banda base

Comunicaciones
digitales en banda
base


Margarita Cabrera
Francesc Tarrés Ruiz

Revisión a cargo de
Francesc Rey Micolau
Francesc Tarrés Ruiz

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Comunicaciones digitales en banda base

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Índice

Comunicaciones digitales en banda base


Introducción...............................................................................................

Objetivos.......................................................................................................

1. La modulación digital en banda base. Aspectos esenciales.....

2. Aplicaciones de modulaciones digitales en banda base...........
2.1. Modulación NRZ y modulación RZ ............................................
2.2. Modulación NRZI ........................................................................
2.3. Modulación Bipolar (AMI) ..........................................................
2.4. Modulación M-polar ....................................................................
2.5. Modulaciones M-unipolares ........................................................


3. Modulaciones de pulsos de amplitud (PAM)...............................
3.1. Modulador digital PAM ...............................................................
Parámetros de configuración de las modulaciones PAM ............
3.2.
3.3.
Energía media de las modulaciones M-PAM ...............................
3.4. Demodulador M-PAM .................................................................


4. Probabilidad de error.......................................................................
4.1. Condiciones de cálculo de la probabilidad de error ...................
Probabilidad de error para una modulación 2-PAM polar ..........
4.2.
Probabilidad de error para una modulación 2-PAM unipolar .....
4.3.
4.4.
Probabilidad de error para una modulación M-PAM polar .........


5. Ocupación espectral de las modulaciones de pulsos.................
5.1. Densidad espectral con pulsos rectangulares ..............................
5.2. Modulaciones PAM con pulsos sinc.............................................
Pulsos de raíz de coseno realzado ...............................................
5.3.


6.

Interferencia intersimbólica...........................................................
6.1.
Interferencia intersimbólica ISI ...................................................
6.2. Diagrama de ojo ..........................................................................


Resumen.......................................................................................................

Ejercicios de autoevaluación..................................................................

Fórmulas matemáticas.............................................................................

Bibliografía.................................................................................................

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Introducción

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Comunicaciones digitales en banda base

En éste módulo se estudian los fundamentos de las comunicaciones digitales
en banda base mientras que en el módulo siguiente se analizarán los sistemas
digitales paso banda. Es importante distinguir entre estos dos tipos de siste-
mas de transmisión de datos. Los sistemas en banda base suelen utilizarse en
aplicaciones donde la distancia de la transmisión es corta y la señal está bien
protegida, normalmente mediante cables.

La esencia de los sistemas en banda base es que cada bit o símbolo lógico con-
diciona la forma de onda de la señal que transmitimos mediante una regla
bien definida. El espectro de esta señal está centrado en la baja frecuencia y
su ancho de banda depende de la velocidad a la que se transmiten los bits,
aumentando cuando aumenta la tasa de bits. El carácter de baja frecuencia de
la señal condiciona que este mecanismo de transmisión se degrade de forma
considerable al aumentar la distancia y que sólo se utilice en sistemas de corta
distancia. Los ejemplos más típicos serían las conexiones serie RS-232 o los
USB (universal serial bus). Cuando se desea transmitir la señal digital a través de
un canal radio o a distancias más grandes es recomendable utilizar frecuencias
más elevadas para las cuáles pueden encontrarse antenas con dimensiones fí-
sicas realizables. Hablamos en estos casos de modulaciones digitales paso ban-
da. Una de las ventajas de las modulaciones paso banda es que nos permiten
que varios canales puedan compartir el mismo medio sin que se produzcan
interferencias. Los sistemas de comunicación digital paso banda suelen partir
de una señal digital paso bajo que modulan mediante algún mecanismo de
traslación de frecuencia para optimizar su transmisión al medio.

En otros módulos hemos estudiado diferentes sistemas de modulación paso
banda para el caso de señales analógicas. En concreto, los sistemas de modu-
lación de amplitud (AM), modulación de frecuencia (FM), Banda Lateral Ves-
tigial (VSL), etc., son sistemas en los que la señal de banda base (normalmente
voz o audio) se traslada en frecuencia, alrededor de una frecuencia portadora,
para facilitar su transmisión al medio y permitir la multiplexación de varias
fuentes de señal. La señal de voz o audio sin modular, en banda base, tal y
como la captura un micrófono y su correspondiente amplificador sólo puede
ser enviada a distancias cortas, generalmente mediante el uso de cables.

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Comunicaciones digitales en banda base

Notación

En las secuencias o señales dis-
cretas, la variable independien-
te es un número natural y se
representa entre corchetes [n]
mientras, que en las señales
continuas o analógicas, la va-
riable independiente tiempo es
real y se representa entre pa-
renthesis (t).

Ved también

Las técnicas de modelado paso
banda se estudian en el módu-
lo “Comunicaciones digitales
paso banda” de esta asignatu-
ra.

En comunicaciones digitales la idea general es la misma. Los bits se represen-
tan mediante niveles de tensión o formas de onda simples, bien especifica-
das, construyendo una señal de banda base (baja frecuencia) que soporta la
información de la fuente de datos digital. Esta señal puede ser transmitida a
distancias cortas mediante cables pero si deseamos optimizar su transmisión a
grandes distancias será preciso modularla y trasladarla en frecuencia. El recep-
tor paso banda deberá ser capaz de recomponer la forma de onda de la señal
banda base.

Así pues, para diseñar un sistema de transmisión de datos digitales debe tenerse
en cuenta tanto la construcción de la señal en banda base (que analizamos en
este módulo) cómo las técnicas de modulación paso banda que acondicionan
su transmisión a grandes distancias en función del medio (que se analizarán en
el próximo módulo). Veremos que muchas de las herramientas de análisis que
se presentan en ambos tipos de sistemas son comunes por lo que los conceptos
presentados en éste módulo resultan cruciales para comprender los principios
de funcionamiento de cualquier sistema de comunicaciones digital.

El módulo se estructura del siguiente modo:

1) En el apartado 1 se presentan los aspectos esenciales de este módulo.

2) El apartado 2 se dedica a la definición de las modulaciones digitales más
simples y que son utilizadas por diferentes sistemas de corta distancia.

3) En el apartado 3 se define una modulación digital en banda base genérica,
denominada modulación de pulsos por amplitud o PAM. En este apartado se des-
criben los parámetros más determinantes que se utilizan posteriormente pa-
ra evaluar la calidad de un sistema de comunicaciones digitales y se presenta
también la estructura de un demodulador de señales PAM.

4) En el siguiente apartado, se estudia la calidad de los sistemas de comunica-
ciones digitales mediante la figura de la probabilidad de error donde se tienen
en cuenta condiciones de transmisión no ideales debido a la presencia de rui-
do. Este apartado es, sin duda, el de mayor importancia del módulo, ya que es
básico saber caracterizar el comportamiento de las modulaciones digitales en
general a partir de la probabilidad de error.

5) En el apartado 5 se consideran condiciones de transmisión no ideales, lo
que lleva a estudiar, especialmente, el ancho de banda que ocupan las modu-
laciones de tipo PAM.

6) Finalmente, el último apartado se dedica a estudiar los efectos de una trans-
misión en condiciones no ideales sobre la señal transmitida.

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Objetivos

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Comunicaciones digitales en banda base

Los principales objetivos de aprendizaje de este módulo pueden resumirse en
los siguientes conceptos y técnicas de análisis:

1. Caracterizar los principales elementos que intervienen en una modulación

paso bajo basada en la transmisión de una secuencia de pulsos.

2.

Identificar los principales parámetros que caracterizan una modulación
digital como la velocidad de bit o tasa de transmisión, diferenciar entre
símbolo y bit, energía media transmitida por bit y ancho de banda.

3. Distinguir entre modulación polar y unipolar y entre modulación binaria

y modulación multinivel.

4. Diseñar el demodulador digital basado en el filtro adaptado al pulso trans-

mitido y diseño de los umbrales de detección de símbolos.

5. Analizar la probabilidad de error como medida de calidad de los sistemas
de modulaciones digit