Conceptos básicos de comunicación ruben dario cardenas e

SISTEMAS ELECTRONICOS DE COMUNICACIÓN

CONCEPTOS BÁSICOS

RUBEN DARIO CARDENAS ESPINOSA DSc. PhD. Ingeniero Electrónico INSTRUCTOR

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.

- Comunicaciones

Elementos B谩sicos de las Comunicaciones

Sistema de Codificaci贸n de Mensajes Protocolo de Comunicaci贸n

Emisor

Canal

Receptor

Elementos B谩sicos de las Comunicaciones

Sistema de Codificaci贸n de Mensajes Protocolo de Comunicaci贸n

Codifica

Decodifica

Modula

Emisor

Canal

Demodula

Receptor

Elementos Básicos de las Comunicaciones EMISOR

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

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

RECEPTOR

– detecta señales en el canal – demodula (transforma la señal recibida en mensaje) – decodifica

Elementos Básicos de las Comunicaciones SISTEMA DE CODIFICACIÓN DE MENSAJES

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.

Elementos Básicos de las Comunicaciones PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN

• 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.

Proceso de Comunicaci贸n 1.

2.

3.

4.

5.

6.

establecer un canal establecer comunicaci贸n transmitir se帽ales verificar que haya sido recibido finalizar la transmisi贸n 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 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS

• 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:

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)

Operaci贸n de Canales Sentido de la circulaci贸n de los mensajes Simplex

Half-Duplex Duplex

Full-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 Transmisi贸n Transmisi贸n Half-Duplex Se produce en ambos sentidos pero NO alternativamente, en un solo sentido a la vez. Si se est谩 recibiendo datos no se puede transmitir.

Tipos de Transmisi贸n Transmisi贸n 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) Conjunto de ondas electromagnéticas que se propagan de forma ondulatoria a velocidad constante de 300.000 km/s.

Según la longitud de onda, la radiación electromagnética recibe diferentes nombres.

Sistema de Transmisión de RF Radio Frecuencia

Antena

RECEPTOR

Antena

EMISOR

Transmisor

Sintonizador

Señal Modulada

Señal Modulada

portadora

Oscilador

Modulador

Información

Demodulador

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

Modulaci贸n por Amplitud (AM)

Modulaci贸n por Frecuencia (FM)

Modulaci贸n por Fase (PM)

Animaci贸n de Modulaci贸n

VALOR EFICAZ DE UNA FUNCIÓN PERIÓDICA f (t ) T

T f eficaz

1  f (t )2 dt   T0 v(t ) 10

Vm

5

t

t

0

-5

-10

0

2

4

6

VALOR EFICAZ FUNCIÓN SENOIDAL

Veficaz

V V  m 2 También denominado valor RMS

v(t )  Vm cos(t   )

8

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.

Fórmula de Euler e  j  cos  j  sen La función Vm  cost   



se puede representar como Re Vm  e j (t  )



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: FORMA POLAR

V/ 

FORMA COMPLEJA VALOR EFICAZ

V  e j

FASORES Los fasores pueden interpretarse como vectores rotatorios que giran con frecuencia angular en sentido contrario a las agujas del reloj.

Im

Im

V1

V2 V1

ta

Re

V2

tb Re

La relación de fases entre ellos permanece invariable

FASORES (EJEMPLO) Vm  cos(t   ) Vm  10

 0

V e

j

10

10 j 0  10   e    2 2   / 0º

   / 2

Vm  10

5

V  e j  0

10  j / 2 10 e  j 2 2 Im

 10    2   / 0º

-5

-10

0

2

4

6

Fasores representados en t = 0

8

 10     2  / 90 º

Re

OPERACIONES CON FASORES SON VÁLIDAS LAS MISMAS OPERACIONES DEFINIDAS EN EL ÁLGEBRA DE NÚMEROS COMPLEJOS Im

jZ   Z  e j   / 2 

Multiplicar Z por j equivale a ADELANTAR /2 su fase

Z  Z  e j



Dividir Z entre j equivale a RETRASAR /2 su fase

Re Im

Multiplicación: multiplicar módulos, sumar fases División: dividir módulos, restar fases

Z1

Z1 Z2

 Z2

2

2

 2 Re

OPERACIONES CON FASORES Derivación de funciones sinusoidales

v(t )  cost

v(t)

dv(t )     sen t   cos t   dt 2 

1,0

0,5

0,0 0

2

4

6

8

10

12

14

t

Derivar v(t) equivale a MULTIPLICAR por  el fasor V y ADELANTAR /2 su fase

-0,5

-1,0

(Representación gráfica suponiendo por simplicidad  =1. Unidades arbitrarias)

Im jV

V Re

OPERACIONES CON FASORES Integración de funciones sinusoidales

v(t )  cost

v(t)

 v(t )dt 

1,0

1



sen t 

  cos t     2 1

0,5

0,0 0

2

4

6

8

10

12

14

t

Integrar v(t) equivale a DIVIDIR por  el fasor V y ATRASAR /2 su fase

-0,5

-1,0

(Representación gráfica suponiendo por simplicidad  =1. Unidades arbitrarias)

Im

V Re V/j

FUENTES DE VOLTAJE SINUSOIDALES v0 (t ) v(t )  Vm cos(t   ) ADELANTA

>0 =0

0

v(t )

t

<0 ATRASA

Representación compleja (función del tiempo)

Representación fasorial (función de frecuencia dada)

V/ 



t

v(t )  Re Vm  e j (t  )

Vm  j  e 2



V  V/    m   2  / 

FUENTES DE VOLTAJE SINUSOIDALES Si la frecuencia es conocida...

las representaciones...

Im

Im

V 

Vm  j e 2

Re



V

Re

Vm  j e 2

...contienen la misma información que

v(t )



v0 (t )



Vm

Vm

t

t

t

t

ELEMENTOS DE UN CIRCUITO Fuente de tensión alterna ideal.

Representada por el fasor

Condensador (capacidad C).

Su impedancia compleja es

0

V

Vm j e 2

ZC   j  X C   j

1 C

Donde XC es la reactancia capacitiva, se expresa en 

Relación entre frecuencia f y pulsación:   2f Bobina ideal (inductancia L).

Su impedancia compleja es Resistencia óhmica Número real (R, medida en )

Z L  j  X L  jL Donde XL es la reactancia inductiva, se expresa en 

RESONANCIA CIRCUITO SERIE A la frecuencia a la que XL = XC

Im 

Vm  1   R 2   L 0  C 0  

tg  

L 0  R

2



Vm

Im adopta el máximo valor posible

R 2   X L  X C 2

1 C 0



X L  XC R

Pulsación de resonancia

 0

L 0 

1 C 0

0 

1 LC

1 ... también Ieficaz es máxima Si Im adopta el máximo valor cuando  0  LC

I eficaz 

Veficaz 1   R 2   L   C  

2

Ieficaz (mA)

RESONANCIA CIRCUITO SERIE 3,0

R  2 R  5 R  10

2,5

2,0

EJEMPLO: Circuito RCL serie con L = 1 H, C = 100 F y Veficaz = 5 mV.

0 

1 1   100 rad/s  4 LC 110



1,5

1,0

0,5

0,0 90

Factor de calidad

Q

0 0 L   R

92

94

96

98

100

102

104

106

108

110

0 (rad/s)

A medida que disminuye el valor de la resistencia el pico de resonancia se hace más agudo

POTENCIA EN CORRIENTE ALTERNA v(t )  Vm cost

p(t )  v(t )  i(t )

i(t )  I m cos(t   )

1 p(t )  Vm I m cost  cos(t   )  Vm I m cos  cos(2t   ) 2 Potencia promedio: El valor promedio de cos(2t   ) es nulo.

1 Ppromedio  Vm I m cos  Veficaz I eficaz cos 2 Factor de potencia

cos 

R Z

Veficaz  I eficaz  Z

POTENCIA EN CORRIENTE ALTERNA * S  V  I *  V/ 0º  I /    V/ 0º  I / 

I / 

V/ 0 º

S  Veficaz  I eficaz cos  j sen   Z/

0

Potencia aparente (V·A)

R cos  Z Potencia activa

(W)

2 S  Veficaz  I eficaz  I eficaz Z

TRIÁNGULO DE POTENCIAS

ReS  P  Veficaz  I eficaz  cos

S Potencia reactiva (VAR)

ImS  Q  Veficaz  I eficaz  sen 

 ReS 

ImS 

TRANSFORMADORES 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.

Para mantener el campo magnético confinado en los bobinados, éstos se arrollan sobre un núcleo ferromagnético V1

V2

N1

N2

Usando una relación apropiada

d V1   N1 dt V2   N 2

d dt

V1 N1  V2 N 2

N1 puede elevarse o disminuirse el voltaje N2

TRANSFORMADORES I1

I2

V1 I1

POTENCIA  I V  cos

I1 V1  I 2 V2

V2 I2

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)

BIBLIOGRAFIA 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.