Introduccion a las Telecomunicaciones 1/3



En esta serie de artículos voy a introducir los conceptos fundamentales de los sistemas de telecomunicaciones electrónicas y explicar algo de la terminología básica necesaria para entender los temas complejos que serán analizados más adelante en Electrónica Aplicada III.

Introduccion a las Telecomunicaciones

En esencia, telecomunicaciones electrónicas son la transmisión, recepción y procesamiento de información usando circuitos electrónicos. La información se define como el conocimiento, la sabiduría o la realidad y puede ser en forma analógica (proporcional o continua), tal como la voz humana, información sobre una imagen de vídeo, o música, o en forma digital (etapas discretas), tales como números codificados en binario, códigos alfanuméricos, símbolos gráficos, códigos operacionales del microprocesador o información de base de datos. Toda la información debe convertirse a energía electromagnética, antes de que pueda propagarse por un sistema de comunicaciones electrónicas.


La figura 1-1a es un diagrama en bloques simplificado de un sistema de comunicaciones electrónicas mostrando la relación entre la información de la fuente original, el transmisor, el medio de transmisión (conducto), el receptor, y la información recibida en el destino. Como se muestra en la figura, un sistema de comunicaciones electrónicas consiste de tres secciones primarias: un transmisor, un medio de transmisión y un receptor. El transmisor convierte la información original de la fuente a una forma más adecuada para la transmisión, el medio de transmisión proporciona un medio de conexión entre el transmisor y el receptor (tal como un conductor metálico, una fibra óptica o espacio libre), y el receptor convierte la información recibida a su forma original y la transfiere a su destino. La información original puede originarse de una variedad de fuentes diferentes y ser de forma analógica o digital. El sistema de comunicaciones mostrado en la figura 1-1a es capaz de transmitir información solamente en una dirección (de la estación A a la estación B), mientras que el sistema de comunicaciones mostrado en la figura 1-1b es capaz de transmitir información en ambas direcciones (de la estación A a la estación B y de la estación B a la estación A)

Figura 1-1. Diagrama a bloques simplificado de un sistema de comunicaciones.

Figura 1-1. Diagrama a bloques simplificado de un sistema de comunicaciones.

Cuando se transmite información a partir de muchas fuentes sobre un medio de transmisión común, la información debe combinarse en una señal de información compuesta sencilla.
El proceso de combinar la información en una señal de información compuesta se le llama multicanalización, y al proceso de separar la información se le llama desmulticanalización.-

Existen dos tipos básicos de sistemas de comunicaciones electrónicas: analógico y digital.
Un sistema de comunicaciones analógico es un sistema en el cual la energía electromagnética se transmite y recibe en forma analógica (una señal variando continuamente tal como una onda senoidal) Los sistemas de radio comerciales emiten señales analógicas. Un sistema de comunicaciones digital es un sistema en el cual la energía electromagnética se transmite y recibe en forma digital (niveles discretos tal como +5 V y tierra) Los sistemas binarios utilizan señales digitales que sólo tienen dos niveles discretos (bi significa dos) Frecuentemente la información de la fuente original está en una forma que no es adecuada para la transmisión y debe convertirse en una forma más adecuada antes de la transmisión. Por ejemplo, con los sistemas de comunicaciones digitales, la información analógica se convierte a una forma digital antes de la transmisión, y con los sistemas de comunicaciones analógicas, la información digital se convierte a la forma analógica antes de la transmisión.
Los sistemas de comunicaciones analógicas fueron los primeros en desarrollarse; sin embargo, en los últimos años los sistemas de comunicaciones digitales se han hecho más comunes. Las razones del cambio de analógica a digital serán evidentes a medida que valla tratando los temas que componene el programa de Aplicada III.-

La historia de las Comunicaciones Electrónicas

La teoría sobre las comunicaciones electrónicas comenzó a mediados del siglo XIX con el físico inglés, James Clerk Maxwell. Las investigaciones matemáticas de Maxwell indicaron que la electricidad y la luz viajan en forma de ondas electromagnéticas, y por lo tanto, están relacionadas una con otra. Maxwell predijo que era posible propagar ondas electromagnéticas por el espacio libre utilizando descargas eléctricas. Sin embargo, la propagación de ondas fue lograda hasta 1888 cuando Heinrich Hertz, un científico alemán, pudo radiar energía electromagnética desde una máquina que él llamaba oscilador. Hertz desarrolló el primer transmisor de radio y, usando estos aparatos, pudo generar radiofrecuencias entre 31 MHz y 1.25 GHz. Hertz también desarrolló la primera antena rudimentaria, la cual aún se usa de manera modificada hoy en día. En 1892, E. Branly, de Francia, desarrolló el primer detector de radio y, exactamente un año después un experimentador ruso, A. S. Popoff, grabó ondas de radio emanadas de relámpagos.-

El primer sistema de comunicaciones electrónicas fue desarrollado en 1837 por Samuel Morse. Morse, usando la inducción electromagnética, pudo transmitir información en forma de puntos, guiones y espacios por medio de un cable metálico. Le llamó a su invento el telégrafo. En 1876, un canadiense educador y terapeuta del lenguaje llamado Alexander Graham Bell y su asistente, Thomas A. Watson (un inventor también muy conocido), transmitieron exitosamente una conversación humana a través de un sistema telefónico funcional usando cables metálicos como medio de transmisión.-

En 1894, Guglielmo Marconi, un joven científico italiano, logró las primeras comunicaciones electrónicas inalámbricas cuando transmitió señales de radio a tres cuartos de milla por la atmósfera de la Tierra atravesando la propiedad de su padre. Por 1896, Marconi estaba transmitiendo señales de radio hasta dos millas desde los barcos a tierra, y en 1899 envió el primer mensaje inalámbrico por el Canal de la Mancha de Francia a Dover, Inglaterra. En 1902, las primeras señales trasatlánticas fueron enviadas de Poldu, Inglaterra, a Newfoundland. Lee DeForest inventó el tubo de vacío de tríodo en 1908, el cual permitió la primera amplificación práctica de las señales electrónicas. La emisión regular de la radio comenzó en 1920, cuando las estaciones de radio AM (Amplitud
Modulada) WWJ en Detroit, Michigan y, KDKA en Pittsburgh, Pennsylvania, comenzaron las emisiones comerciales. En 1933, el mayor Edwin Howard Armstrong inventó la frecuencia modulada (FM), y la emisión comercial de las señales FM comenzó en 1936. En 1948, el transistor fue inventado en los Laboratorios de Teléfonos Bell por William Shockley, Walter Brattain y John Bardeen. El transistor llevó al desarrollo y refinamiento del circuito integrado en la década de 1960.
Aunque los conceptos generales de las comunicaciones electrónicas no han cambiado mucho desde su comienzo, los métodos por los cuales estos conceptos se han implantado han sufrido cambios dramáticos y sorprendentes recientemente. No hay realmente límites sobre las expectativas para los sistemas de comunicaciones electrónicas del futuro.-

Modulación y Demodulación

Por razones que se explican más adelante, no es práctico propagar energía electromagnética de baja frecuencia por la atmósfera de la tierra. Por lo tanto, con las comunicaciones de radio, es necesario superponer una señal de inteligencia de frecuencia relativamente baja a una señal de frecuencia relativamente alta para la transmisión. En los sistemas de comunicaciones electrónicas analógics, la información de la fuente (señal de inteligencia) actúa sobre o modula una señal senoidal de frecuencia única.-

Modular simplemente significa variar, cambiar o regular. Por lo tanto, la información de la fuente de frecuencia relativamente baja se llama señal de modulación, la señal de frecuencia relativamente alta, sobre la cual se actúa (modulada) se llama la portadora, y la señal resultante se llama la onda modulada o señal. En esencia, la información de la fuente se transporta a través del sistema sobre la portadora.-

Con los sistemas de comunicaciones analógicas, la modulación es el proceso de variar o cambiar alguna propiedad de una portadora analógica de acuerdo con la información original de la fuente. Recíprocamente, la demodulación es el proceso de convertir los cambios en la portadora analógica a la información original de la fuente. La modulación se realiza en el transmisor, en un circuito llamado modulador, y la demodulación se realiza en el receptor, en un circuito llamado demodulador. La señal de información que modula la portadora principal se llama señal de banda base o simplemente banda base. La banda base es una señal de información, como un canal telefónico sencillo, y la señal de banda base compuesta es la señal para la información total, como varios cientos de canales telefónicos. Las señales de banda base se convierten a partir de su banda de frecuencia original a una banda más adecuada para transmisión a través del sistema de comunicaciones. Las señales de banda base se convierten en frecuencia alta en el transmisor y se convierten en frecuencia baja en el receptor. La traslación de frecuencia es el proceso de convertir una frecuencia sencilla o una banda de frecuencias a otra ubicación en el espectro de la frecuencia
total.-

El término canal es comúnmente utilizado, cuando se refiere a una banda especifica de frecuencias distribuidas, para un servicio en particular o transmisión. Por ejemplo, un canal estándar de banda de frecuencia para voz ocupa un ancho de banda de 3 kHz y se utiliza para la transmisión de señales de voz de calidad. Un canal de RF se refiere a una banda de frecuencias usadas para propagar señales de radiofrecuencia, tal como un canal sencillo y comercial de emisión FM
que ocupa, aproximadamente, una banda de frecuencias de 200 kHz dentro de la banda total de 88 a 108 MHz asignada para la transmisión comercial de FM.-

La ecuación 1-1 es la expresión general para una onda senoidal variante con el tiempo de voltaje, tal como una portadora analógica. Tres propiedades de una onda senoidal pueden ser variadas: la amplitud (V), la frecuencia (f), la fase (0), o cualquier combinación de dos o más de estas propiedades. Si la amplitud de la portadora es variada proporcionalmente a la información de la fuente, resulta la amplitud modulada (AM) Si la frecuencia de la portadora varia proporcionalmente a la información de la fuente, resulta la frecuencia modulada (FM) Si la fase de la portadora varia proporcionalmente a la información de la fuente, resulta la fase modulada (PM)

ecuacion_1-1

La figura 1-2 es un diagrama a bloques simplificado de un sistema de comunicaciones que muestra la relación entre la señal de modulación (información), la señal modulada (portadora), la onda modulada (resultante) y el ruido del sistema.
Hay dos razones importantes de porque es necesaria la modulación en un sistema de comunicaciones electrónicas. La primera es el hecho de que es extremadamente difícil irradiar señales a frecuencias bajas por la atmósfera de la Tierra en forma de energía electromagnética. Segundo, las señales de información frecuentemente ocupan la misma banda de frecuencia y, si son transmitidas en su forma original, interferirán. Un ejemplo de esto es la banda radiodifusora de FM comercial.
Todas las estaciones FM emiten información de voz y música que ocupa la banda de frecuencias de audio de 0 a 15 kHz.

Figura 1-2. Diagrama a bloques del sistema de comunicaciones.

Figura 1-2. Diagrama a bloques del sistema de comunicaciones.

Cada estación traslada su información a una banda de frecuencia diferente (canal), para que sus transmisiones no interfieran con las transmisiones de las demás. Las razones para la modulación y demodulación se explican con detalle en los capítulos 3 y 4, cuando su propósito será más evidente.-

El Espectro Electromagnético

El propósito de un sistema de comunicaciones electrónico es comunicar información entre dos o más ubicaciones (generalmente llamadas estaciones) Esto se logra convirtiendo la información de la fuente original a energía electromagnética y después transmitiendo la energía a uno o más destinos, en donde se convierte de nuevo a su forma original. La energía electromagnética puede propagarse en varios modos: como un voltaje o una corriente a través de un cable metálico, como ondas de radio emitidas por el espacio libre o como ondas de luz por una fibra óptica.
La energía electromagnética está distribuida a través de un rango de frecuencias casi infinito. El espectro de frecuencias electromagnéticas total que muestra las localizaciones aproximadas de varios servicios dentro de la banda se enseña en la figura 1-3. Puede verse que el espectro de frecuencias se extiende desde las frecuencias subsónicas
(unos cuantos hertz) a los rayos cósmicos, (10^22  Hz) Cada banda de frecuencias tiene una característica única que la hace diferente de las otras bandas.-

Cuando se trata de ondas de radio, es común usar las unidades de la longitud de onda en vez de la frecuencia. La longitud de onda es la longitud que un ciclo de una onda electromagnética ocupa en el espacio (es decir, la distancia entre los puntos semejantes en una onda repetitiva) La longitud de onda es inversamente proporcional a la frecuencia de la onda y directamente proporcional a la velocidad de propagación (la velocidad de propagación de la energía electromagnética
en el espacio libre se asume que sea la velocidad de la luz, 3 X 10^8  m/s).-

espectro electromagnetico

espectro electromagnetico (resumido)

La relación entre la frecuencia. velocidad y longitud de onda se expresa matemáticamente como:

f = c/λ

donde     λ: longitud de onda, c: veloc de la luz (300.000.000  m/s), f: frecuencia (Hertz)

Se observa que frecuencias bajas tienen longitudes de onda largas y frecuencias altas longitudes de onda cortas.

Frecuencias de Transmisión

El espectro total de la frecuencia electromagnética está dividido en subsectores o bandas.
Cada banda tiene un nombre y límites. En Estados Unidos, las asignaciones de frecuencias para la propagación de radio en espacio libre, son asignadas por la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) Idem en Argentina. Por ejemplo, la banda de radiodifusión de FM comercial se extiende de 88 a 108 MHz. Las frecuencias exactas asignadas a transmisores específicos funcionando en las diversas clases de servicios están constantemente actualizándose y alterándose, para cubrir las necesidades de comunicaciones de la nación. Sin embargo, la división general del espectro de frecuencia totalmente utilizable se decide en las Convenciones Internacionales de Telecomunicaciones, las cuales son realizadas aproximadamente cada 10 años.
El espectro de frecuencia de radio (RF) totalmente utilizable se divide en bandas de frecuencia mas angostas, las cuales son asignadas con nombres descriptivos y números de banda.
Las designaciones de banda del Comité Consultivo Internacional de Radio (CCIR), se mencionan en la tabla 1-1. Varias de estas bandas se dividen en diversos tipos de servicios, tales como una búsqueda a bordo de un barco, microondas, satélite, búsqueda móvil basada en tierra, navegación de barco, aproximación de aeronaves, detección de superficie de aeropuerto, clima desde aeronaves, teléfono móvil y muchos más.

Figura 1-4. Espectro de la Longitud de Onda Electromagnetica.

Figura 1-4. Espectro de la Longitud de Onda Electromagnetica.

tabla_1-1

Ref: Apunte de Clase. Electronica Aplicada III. UTN FRC

Introduccion a las Telecomunicaciones 1/3

Introduccion a las Telecomunicaciones 2/3

Introduccion a las Telecomunicaciones 3/3

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