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Complementos de procesado de la señal y comunicaciones




Enviado por Pablo Turmero



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    El Proceso de Comunicación La Comunicación implica
    la transmisión de información desde un punto hasta
    otro punto. Fuente de información Transmisor Receptor
    Canal Información Usuario

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    Fuentes de Información: – Voz – FaxTelevisión
    Ordenadores personales Canales de Comunicación: – Canales
    telefónicos – Fibra óptica – Canales móviles
    de comunicación – Satélite Señales en banda
    base y señales paso banda: -Banda Base: banda de
    frecuencias de la señal mensaje. Las señales en
    banda base pueden ser analógicas o digitales. -Paso Banda:
    Mediante el proceso de modulación la señal se
    traslada a otra zona de frecuencias más adecuada para que
    pueda ser transmitida por un canal de comunicación.

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    El Proceso de Modulación: El proceso de modulación
    consiste en modificar la señal mensaje para que pueda ser
    transmitida por un canal. Este proceso se realiza en el
    dispositivo transmisor Una onda portadora varía alguno se
    sus parámetros de acuerdo con la señal mensaje. El
    proceso de demodulación consiste en recuperar la
    señal mensaja partir de la señal portadora
    degradada despues de su transmisión por el canal. El
    proceso se realiza en el dispositivo receptor.

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    Esquemas de Modulación: Modulación de onda
    contínua: Una señal sinusoidal se usa como
    portadora. Modulación en amplitud (AM): La amplitud de la
    portadora varía con la señal mensaje.
    Modulación angular: El ángulo de la portadora
    varía con la señal mensaje. Modulación en
    frecuencia. Modulación en fase.

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    Modulación por pulsos analógicos: La portadora
    consiste en una secuencia periódica de pulsos
    rectangulares. Modulación por amplitud de pulsos (PAM)
    Modulación por duración de pulsos (PDM)
    Modulación por posición de pulsos (PPM)
    Modulación por codificación de pulsos: Es
    esencialmente como PAM pero la amplitud de los pulsos es
    cuantizada y representada por un patron binario.

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    Multiplexación: Multiplexación es el concepto de
    combinar diferentes señales mensaje para su
    transmisión simultánea sobre un canal.
    Multiplexación por división en frecuencias (FDM) La
    modulación de onda contínua se usa para trasladar
    cada una de las señales mensaje a un rango diferente de
    frecuencias. Multeplexación por división en el
    tiempo (TDM) La modulación por pulsos se usa para muestras
    de diferentes mensajes en intervalos de tiempo no
    solapados.

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    Sistema de Comuniación digital Mensaje Codificación
    de la fuente Codificación del Canal Modulador Demodulador
    Decodificación del canal Decodificación de la
    fuente canal Mensaje estimado transmisor Receptor

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    Transmisión de Pulsos en Banda base Se estudia la
    transmisión de datos digitales independientemente de que
    su origen sea digital o analógico. El contenido en
    frecuencias de los datos digitales se concentra en la zona de
    bajas frecuencias. La transmisión en banda base de datos
    digitales requiere el uso de canales paso baja. Los errores en la
    transmisión se deben principalmente: Ruido debido al
    canal. Interferencia entre símbolos (ISI) (Un pulso se ve
    afectado por los pulsos adyacentes.

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    Transmisión Esquema de transmisión de pulsos en
    banda base: PAM Filtro transmisor Canal Filtro receptor
    Decisión ? Ruido blanco 0 1 Transmisor Canal
    Receptor

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    Ruido debido al canal: El pulso transmitido por el canal se ve
    contaminado por ruido aditivo Señal p(t) (Gp:) Filtro LTI
    h(t) (Gp:) + (Gp:) Ruido blanco w(t) (Gp:) x(t) (Gp:) y(t) (Gp:)
    Muestreo t=T (Gp:) y(T) El pulso de señal p(t) se
    contamina por ruido blanco aditivo de media cero y densidad de
    potencia espectral El receptor debe de detectar el pulso p(t) de
    una forma óptima dada la señal x(t).

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    Como el filtro es lineal, la salida del filtro y(t) se puede
    expresar como: La condición que se exige al filtro es que
    en el instante t=T ,po(T) sea mucho mayor que el ruido. Esto es
    equivalente a maximizar el cociente: Si P(f) es la transformada
    de Fourier de la señal y H(f) es la transformada de
    Fourier del filtro ,aplicando la transformación inversa
    obtenemos:

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    Para el ruido tenemos: Luego la condición que debe cumplir
    el filtro es hacer máximo

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    La respuesta al impulso del filtro Matched es una versión
    reflejada respecto del tiempo y deplazada del pulso de entrada
    p(t). 0 T A p(t) 0 T kAAT

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    Probabilidad de error en la detección debido al ruido:
    Ahora que sabemos que el filtro matched es el detector
    óptimo de un pulso de forma conocida contaminado por ruido
    aditivo podemos obtener una expresión para la probabilidad
    de error en este sistema. La detección se basa en
    muestrear los pulsos en su máximo y compararlos con un
    nivel para determinar su valor.

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    Estudiamos la probabilidad de error para las distintas
    codificaciones de línea de uns istema binario PCM:
    Codificación Polar: Un 1 se transmite como p(t) y un 0
    como -p(t)

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    Las condiciones de error son: Ap -Ap

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    Codificación on-off: Un 1 se representa con el pulso p(t)
    y un cero con ausencia de pulso.

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    La condición de error se puede ver del siguiente modo: Ap
    0 Ap/2 -Ap/2 Por lo tanto la probabilidad de error que se obtiene
    es:

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    Codificaciones pseudoternarias: Un 1 se transmite como un pulso
    opuesto al pulso anterior y un cero como ausencia de pulso.

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    La condición de error se puede ver del siguiente modo: Ap
    Ap

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    Inferencia inter simbolos (ISI) Un pulso p(t) básico
    podemos considerarlo como un pulso rectangular, sin embargo la
    densidad de potencia espectral de un pulso cuadrado es infinita
    ya que P(W) tiene un ancho de banda infinito. Sin embargo hay una
    zona del espectro donde se concentra la energía |f| <
    fo fuera de esta zona la energía es pequeña pero no
    cero. Si se transmite esta señal por un canal con un ancho
    de banda finito se suprime una pequña porción del
    espectro => una distorsión de la señal
    recibida.

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    No podemos considerar pulsos limitados en el tiempo porque su
    contenido en frecuencias sería infinito y se
    transmitirían con distorsión. Varios pulsos no
    limitados en el tiempo solapados causarían ISI. Nyquists
    propuso tres criterios diferentes para evitar la interferencia
    inter símbolos. Estudiamos el primer criterio de
    Nyquists

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    Primer criterio de Nyquist: Se elige el pulso para que tenga
    amplitud distinta de cero en t=0 y amplitudes cero en . Siendo la
    separación entre sucesivos pulsos transmitidos. De esta
    forma no hay ISI en el centro de los demas pulsos. Para un ancho
    de banda sólo hay un pulso que cumple esta
    condición

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    Este esquema tiene problemas prácticos de
    implementación ya que la amplitud de los lóbulos
    laterales decae lentamente (como 1/t). Esto puede generar una ISI
    acumulada cuando haya una falta de sincronismo entre dos pulsos.
    Este problema se puede solucionar con pulsos que verifican las
    condiciones anteriores pero con anchos de banda entre f0/2 y f0 .
    Pulsos de tipo coseno remontado: La condición que deben
    cumplir los pulsos es la siguiente:

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    Es decir que la suma de los espectros debe ser constante:

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    El espectro tiene la forma de la figura: Su ancho de banda es
    w0/2 + wx .. Definimos el exceso de ancho de banda r = 2wx /w0 el
    ancho de banda se puede expresar como B=(1 + r) f0 /2

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    La forma temporal del pulso es Para ancho de banda completo

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    Segundo criterio de Nyquists: Este esquema tiene su origen en la
    transmisión telegráfica. Se usaban pulsos
    conformados para una velocidad de f0 pulsos por segundo pero
    transmitidos a una velocidad de 2 f0 pulsos por segundo Un 1 se
    transmite como un pulso y necesita T0 segundos para alcanzar su
    valor máximo, sin embargo si en T0 se transmite otro 1 se
    superpondrán las amplitudes alcanzando un valor
    máximo K, si el segundo pulso es un 0 se
    superpondrán las amplitudes anulandose su valor. La
    anchura del pulso resultante es de 3T0 y el segundo criterio de
    Nyquists es y

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    Para una ancho de banda de f0 /2 la forma del pulso es:

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    Transmisión Digital Paso banda En la transmisión
    digital pasobanda la señal digital modula a una
    señal portadora ( normalmente una función
    sinusoidal). En el caso de transmisión paso banda o de
    señales de tiempo discreto moduladas, el canal puede ser
    un enlace de radio de microondas, una canal satélite …
    La amplitud, la frecuencia o la fase de la portadora pueden
    variar de acuerdo con la secuencia de datos dando lugar a los
    diferentes señalamientos: -ASK señalamiento por
    desplazamiento de amplitud -FSK señalamiento por
    desplazamiento en frecuencia – PSK señalamiento por
    desplazamiento en fase.

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    Un modelo para la transmisión pasa banda: Suponemos que
    existe una fuente de mensajes que emite símbolos
    pertenecientes a un alfabeto discreto de M símbolos cada T
    segundos. Las probabilidades a priori de estos símbolos
    especifican el mensaje de salida. En ausencia de
    información todos los símbolos tienen igual
    probabilidad. Este mensaje es la entrada a un bloque que realiza
    la codificación de la señal para su
    transmisión. Produciendo un vector de N componentes reales
    ( con N<=M) por cada uno de los M símbolos del alfabeto
    fuente. Este vector de salida es la entrada al bloque modulador,
    la señal, de T segundos de duración, generada en el
    modulador es necesariamente de energía finita. El canal de
    comunicación pasobanda conecta el transmisor con el
    receptor. Las características del canal son:

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    1. El canal es lineal y el ancho de banda es tal que puede
    transmitir a la señal modulada sin distorsión. 2.
    La señal transmitida se ve contaminada por ruido gausiano
    aditivo blaco (AWGN). La tarea del receptor es observar la
    señal recibida durante T segundos . El primer bloque
    detector opera sobre la señal recibida para producir un
    vector de observaciones, el bloque decodificador realiza las
    estimaciones de los símbolos generados por la fuente en el
    transmisor. Una condición que debe cumplir el receptor es
    que minimice la probabilidad promedio de símbolo
    erróneo.

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    Receptor Transmisor Fuente de Mensaje Modulador Codificador Canal
    de comunicación Decodificador Detector mi si si(t) x i(t)
    x ^m

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    Las tres formas básicas de
    señalización:

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    Método de Ortogonalización de Gram-Schmidt: Este
    método de ortogonalización permite representar
    cualquier conjunto de M señales de energía (ya
    moduladas) como combinación lineal de N funciones base
    ortonormales (N<=M).

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    Descripción del procedimiento de Gram Schmidt: Se define
    la función base ?1 como:

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    Cada señal si(t) queda especificada por un vector si cuyos
    N elementos son los coeficientes sij. El espacio euclídeo
    de N-dimensiones se denomina espacio de señales. Se puede
    definir la norma y el producto interno entre vectores de este
    espacio:

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    Proyección de la señal contaminada por ruido blanco
    gausiano sobre las funciones bases ortogonales: X es una variable
    aleatoria que queda caracterizada por un vector de N
    componentes.

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