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Laboratorio Digital Interactivo

By: Mariangela Mezoa

Laboratorio Digital Interactivo

By: Mariangela Mezoa Translated By: Mariangela Mezoa

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CONNEXIONSRice University, Houston, Texas

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Table of Contents1 1. Introduccin a los Sistemas de Comunicaciones Digitales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 2. Introduccin a LabVIEW y teora bsica de PCM (Pulse Code Modulation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3 3. Ortogonalizacin Gram-Schmidt y teora bsica de las Constelaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 4 4. Cdigos de Lnea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 5 5. Modulaciones Binarias: Teora y simulacin en LabVIEW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 6 6. Modulaciones M-arias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 7 7. Introduccin del ruido en los sistemas de Comunicaciones Digitales: Deteccin ptima y Probabilidad de Error . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 8 8. Deteccin no Coherente para modulaciones OOK y FSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 9 9. Interferencia Intersimblica (ISI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 10 10. Codicacin de Canal: Cdigo Hamming y Cdigo Convolucional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Glossary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 Attributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

iv

Chapter 1

1. Introduccin a los Sistemas de Comunicaciones Digitales1

1.1 INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES DIGITALESGonzlez C. Y. Venuska Mezoa R. Mariangela

Resumen

Este mdulo sirve como prembulo a las comunicaciones, especcamente en el mbito digital. Se explicar a travs de un diagrama de bloques terico el procedimiento necesario para transmitir exitosamente un mensaje, considerando factores como la codicacin del mensaje, codicacin del canal y la inclusin del ruido en el sistema. La comunicacin, como se sabe, es la transferencia de informacin desde un punto considerado como emisor hasta otro punto considerado como receptor. Dicha transferencia se hace a travs de un canal, y se estima que el proceso sea seguro y conable, de modo tal que la informacin desde la fuente sea recibida en su totalidad. Ahora bien, es el

sistema de Comunicacin

el conjunto de subsistemas y mecanismos que permite

el enlace entre el emisor y el receptor. Ya sea entre humanos o entre mquinas, se deben cumplir ciertos conceptos para asegurar la transmisin y recepcin ptima del mensaje, pero, en general, se toman en cuenta tres factores principales que son:

Un Un

transmisor, que toma la informacin y la convierte en una seal. Medio de Transmisin o Canal Fsico que `lleva' la seal. Un Receptor, que toma la seal del canal y la convierte de vuelta a informacin til.y

Es importante resaltar que para las Telecomunicaciones existen dos tipos de seales de comunicacin:

Analgicas

Digitales,

siendo esta ltima con la que nos enfocaremos.

La seal digital se reconoce

porque la informacin es codicada por medio de un set nito de valores discretos (1's y 0's), mientras que en el sistema Analgico se representa con una seal continua en el tiempo. A continuacin se podr observar un diagrama de bloques que dene paso a paso el procedimiento de envo de informacin:

1 This

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1

2

CHAPTER 1.

1. INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES DIGITALES

Diagrama de bloques de un sistema de transmisin digital

Figure 1.1

1.1.1 Fuente de Informacin:Corresponde al procedimiento de conversin del mensaje a transmitir en una seal que se adecue al sistema a usar; dado que es un sistema digital, la fuente genera una seal de tipo digital (binaria). Analgico/Digital que haga el proceso de muestreo y cuanticacin. Es comn encontrarnos con informacin a transmitir en formato analgico, por lo que ser necesario usar un conversor

1.1.2 Codicacin de Fuente:Encargada de eliminar parte de la redundancia de informacin ofrecida por el bloque de la fuente. implica una compresin directa del mensaje. Esto

1.1.3 Codicacin de Canal:Capaz de detectar y corregir los errores que se producen en los datos durante el proceso de la transmisin. Dichos errores pueden darse por la existencia de ruido en canal, por lo que este bloque es capaz de introducir redundancia en la cadena de datos, haciendo posible la reconstruccin de la misma lo ms aproximado a la secuencia original.

1.1.4 Modulacin:Modular consiste, en el mbito de las comunicaciones, en la variacin de una o ms propiedades de una

moduladora,

forma de onda peridica de alta frecuencia (conocida como

seal portadora)

con respecto a una

seal

que es la que se desea transmitir. Con esto es posible transportar el mensaje dentro de otra

seal que puede ser transmitida fsicamente a travs de un canal pasabanda. Para la transmisin digital estamos hablando de una seal portadora analgica

Sinusoidal que es modu-

lada de acuerdo con una cadena de bits. Ahora, dependiendo del parmetro que se decida variar, se generan distintos tipos de modulacin. Los fundamentales son (Trabajan con una cadena de 0 y 1's):

3

PSK (Phase-shift Keying ) FSK (Frequency-shift Keying ) ASK (Amplitude-shift Keying )

Pero, si hablamos de la modulacin m-aria o multinivel, se tendrn entonces:

QPSK (Quadrature Phase-shift Keying ) MPSK QAM (Quadrature Amplitude Modulation)

1.1.5 Filtro Transmisor:Al trabajar con un sistema de comunicaciones real, se debe considerar una restriccin fundamental:

Ancho de Banda.

El

Evidentemente, es muy comn que estos sistemas limiten el ancho de banda del canal

de transmisin, por lo que es necesario implementar un ltro que se encargue de limitar la seal modulada y que tambin adecue la potencia de transmisin de la misma.

1.1.6 Canal de Transmisin:Es el medio de transporte de la seal modulada. En la vida real, el canal de transmisin es un gran contribuyente a la introduccin de ruido e interferencias, lo que genera errores inmediatos en el mensaje. Esto se debe a la atenuacin que condiciona la potencia recibida (es difcil aumentar la potencia de transmisin sin disminuir la distancia entre la fuente y el destino) y el ancho de banda limitado. Los siguientes mdulos profundizarn mejor esta situacin por medio de la inclusin de ruido AWGN en el sistema y una posible Interferencia Inter-Simblica (ISI). Luego de denir el Canal de Transmisin, deber hacerse el proceso inverso para que el mensaje ya demodulado, decodicado y convertido de Digital a Analgico llegue al destino. En los prximos mdulos de este curso se desarrollar con ms profundidad cada bloque perteneciente al sistema de Comunicaciones Digitales, a travs de Laboratorios Digitales elaborados en la herramienta de simulacin

LabVIEW,

permitindole al usuario enriquecer y reforzar los conocimientos tericos como

prcticos de este sistema.

4

CHAPTER 1.

1. INTRODUCCIN A LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES DIGITALES

Chapter 2

2. Introduccin a LabVIEW y teora bsica de PCM (Pulse Code Modulation)1

2.1 INTRODUCCIN AL SOFTWARE LABVIEW Y TEORA BSICA DE PCM (Pulse Code Modulation)Gonzlez C. Y. Venuska Mezoa R. Mariangela

Resumen

A travs del presente mdulo se pretende dar una introduccin muy general al software de simulacin LabVIEW de National Instruments, englobando su funcionalidad para el rea de las Comunicaciones Digitales. Adicionalmente, se explicar detalladamente la teora referente a la modulacin por cdigo de pulso (PCM), en conjunto con una simulacin en LabVIEW que respalde el contenido terico.

2.1.1 Qu es LabVIEW?LabVIEW es una herramienta de programacin destinada para desarrollar sistemas de pruebas, diseo y control a travs de un lenguaje llamado

Lenguaje G,siendo la G el smbolo que representa el mbito Grco.

Pudiramos decir que estructurar un sistema en este software se aproxima a elaborar un diagrama de ujo, dado que sus herramientas (representadas por conos grcos) son intuitivas y secuenciales, permitindole hasta al usuario menos experimentado programar proyectos relativamente complejos. Su ventaja ms fuerte, como ya se mencion, es que la programacin es a travs de

grcos o bloques,

simplicando as el desarrollo de programas por