5.1 CONCEPTOS Multicanalizar o Multiplexar consiste en enviar por
un mismo canal de transmisión varias señales. Con
esto se permite el compartir la infraestructura de un sistema de
comunicación ya existente para enviar varias
señales, en algunos casos de orígenes
distintos.
Ejemplos hay varios, como : Redes telefónicas.
Televisión por cable. Enlaces satelitales.
Telefonía Celular. Internet. Etc. Multicanalización
es cuando las señales se originan de la misma fuente.
Acceso Múltiple es cuando las señales que se
multicanalizan son de diferente origen.
Tipos Básicos de Multicanalización Por
División de Frecuencia (FDM). Por División de
Tiempo (TDM). Por División de Código (CDM). – Por
División de Frecuencia, las señales pueden ser
analógicas o digitales. – Por División de Tiempo y
por Código, solo es para señales digitales. – WDM:
Multicanalización por División de Longitud de Onda,
es cuando se usa Fibra Óptica para transmitir varias
señales, cada una de ellas con distinta longitud de onda,
siendo un caso especial de FDM.
Tipos Básicos de Acceso Múltiple : Por Frecuencia
(FDMA). Por Tiempo (TDMA). Por Código (CDMA). Estas son
técnicas de acceso múltiple, es decir que distintas
señales de diversos orígenes accesan al mismo canal
de comunicación o espacio en el espectro
electromagnético.
Multicanalización : FIG. 5.1-1a Concepto básico
general de Multicanalización o Multiplexación o
Multiplexaje.
FIG. 5.1-1b Concepto básico general de
Multicanalización o Multiplexación o Multiplexaje.
Multicanalización :
5.2.1 Multicanalización por División en Frecuencia
Consiste en dividir el Ancho de Banda disponible para un
determinado canal de transmisión dentro del espectro
electromagnético en “ranuras” o espacios. Esto
también se aplica a sistemas “confinados” como
en cables coaxiales, guías de ondas o incluso en fibras
ópticas, aunque en esta última el concepto cambia
por multicanalización por longitud de onda (WDM)
Multicanalización por Frecuencia FIG. 5.2.1-1
Multicanalización por Frecuencia : Transmisor.
Multicanalización por Frecuencia FIG. 5.2.1-2 Espectro en
frecuencia de una señal Multicanalizada por
División de la Frecuencia en el transmisor.
Las señales de información a enviar primero
deberán estar limitadas en frecuencia (LEF),
pasándolas por un filtro pasa bajas para limitarlas a una
frecuencia fm. Cada una de las señales es modulada por una
portadora con una frecuencia diferente, fc1, fc2, fc3, etc. todas
ellas dentro del espacio asignado al ancho de banda total de
transmisión. Después las señales se mezclan
o suman, “juntándolas” para ser enviadas
así o vueltas a modular con una portadora principal o de
grupo.
Multicanalización por Frecuencia FIG. 5.2.1-3
Multicanalización por Frecuencia : Receptor.
En el receptor, primero se demodula la portadora principal o de
grupo. Después se hacen pasar todas las señales
multiplexadas por un filtro pasa banda, cada uno centrado a la
frecuencia de subportadora fc1, fc2, fc3, etc. Una vez que cada
señal pasa por un filtro pasa banda centrado a su
respectiva subportadora, se demodula quitándola mediante
un demodulador. Finalmente se obtienen las señales
originales.
Multicanalización por Frecuencia FIG. 5.2.1-4 Espectro en
frecuencia de una señal Multicanalizada por
División de la Frecuencia en el receptor. Cada
señal se recupera con un filtro pasa banda centrado a su
frecuencia de subportadora.
FIG. 5.2.1-5 Ejemplo del proceso para generar FDM de 3
señales. Transmisor (Tx) y Receptor (Rx). Tx Rx
FIG. 5.2.1-6 Ejemplo de Multicanalización por
División en Frecuencia en un sistema de Telemetría
(Medición y control a distancia). Transmisor.
De la figura anterior se observa lo siguiente : La
telemetría es una de las aplicaciones más
importantes en la electrónica y la cual consiste en medir
y/o controlar a distancia algún proceso determinado. La
telemetría consiste solo en medir una o varias
características físicas (variables), es decir solo
se monitorean estas variables mediante los sensores adecuados. O
bien la telemetría puede consistir en medir (monitorear)
la o las variables físicas de algún proceso y
además enviar de regreso señales de control para
controlar dicho proceso. Los sensores se encargan de convertir la
señal entregada por la variable física
(temperatura, presión, velocidad, posición, etc.)
en una señal eléctrica, la cual es acondicionada
por los amplificadores acondicionadores de señal. Las
señales entregadas por los amplificadores acondicionadores
se utilizan para modular en frecuencia una subportadora de un VCO
(Oscilador Controlador por Voltaje).
Las salidas de los VCO’s se suman mediante un sumador
lineal (mediante una red de resistencias y un amplificador
operacional en modo sumador). Cada VCO opera a una frecuencia
diferente, entonces la red sumadora entrega una señal
multicanalizada en frecuencia (FDM) como la mostrada en la figura
5.2.1-4. La salida del sumador se entrega a un modulador de
frecuencia que modula una portadora de radiofrecuencia, la cual
es enviada a través del aire mediante una onda
electromagnética de RF utilizando una antena de
transmisión. A estos sistemas se les conoce como FM/FM, ya
que utilizan FM en las subportadoras y FM en la portadora
principal. Para asegurar que todas las señales de los
sensores tengan la misma amplitud, se sugiere utilizar resistores
variables (potenciómetros) en la red sumadora, de tal
forma que se puedan ajustar para mantener constantes dichas
señales.
FIG. 5.2.1-7 Ejemplo de Multicanalización por
División en Frecuencia en un sistema de Telemetría
(Medición y control a distancia). Receptor.
En el receptor de la figura anterior se tiene lo siguiente : La
antena que recibe la OEM de RF y se encarga de convertirla en una
señal eléctrica que es entregada a un receptor
superheterodino. Este receptor entrega una frecuencia intermedia
(FI) al demodulador de FM, que se encarga de quitar la portadora
de RF. El demultiplexor se forma de Filtros Pasa Banda (BPF) que
se encargan de seleccionar la señal correspondiente a cada
canal. Una vez seleccionada la señal correspondiente a
cada canal, se hace la conversión de frecuencia a voltaje
mediante un “descriminador”, es decir, un demodulador
de FM con PLL. Cada señal se entregará a un
dispositivo de presentación (pantalla, monitor, display,
etc.) o a una grabadora que almacene las lecturas del sensor
correspondiente. También se observa que la señal
compuesta originada en el multiplexor del transmisor se
envía a una grabadora.
FIG. 5.2.1-8 Ejemplo de Multicanalización por
División en Frecuencia en un sistema de Telefonía.
Transmisor.
De la figura anterior se observa lo siguiente : Se utiliza la
multicanalización por división en frecuencia para,
por un mismo canal de comunicación telefónico,
enviar varias señales de voz (conversaciones
telefónicas) ya sea para comunicarse entre centrales
telefónicas de una localidad o bien comunicaciones
telefónicas a larga distancia. Cada señal de voz se
pasa por un Filtro Pasa Banda para limitarla a un ancho de banda
efectivo de 300 a 3000 Hz, aunque el ancho de banda total de este
filtro es de 4 KHz. La señal de voz se usa para modular
una subportadora mediante moduladores balanceados, los cuales
producen doble banda lateral con portadora suprimida.
Con un filtro de alta selectividad se elimina una de las bandas
laterales, produciendo banda lateral única (BLU). En este
ejemplo se ha seleccionado la banda lateral superior. Las 12
señales de BLU se suman linealmente para generar una
señal de banda base multicanalizadas en frecuencia. El
ancho de banda multicanalizado va de 60 KHz a 108 KHz, con
intervalos de 4 KHz La señal de banda base de 12 canales
telefónicos se llama Grupo Básico. Con 5 Grupos
Básicos, de 12 canales de voz cada uno, se puede generar
un Supergrupo usando la misma secuencia de subportadoras, que van
de 360 a 552 KHz, separados 48 KHz. Y así
sucesivamente.
FIG. 5.2.1-9 Formación de los Grupos Básicos de un
sistema de Telefonía. Transmisor.
FIG. 5.2.1-10 Ejemplo de Multicanalización por
División en Frecuencia en un sistema de Telefonía.
Receptor.
En el receptor de la figura anterior se observa que: Los primeros
filtros pasabanda (BPF) seleccionan uno de los 5 grupos que
forman el supergrupo. El modulador balanceado, que aquí
actúa como demodulador, se encarga de extraer la
señal de la subportadora de supergrupo. Los siguientes
filtros pasa bajas (LPF) se encargan de seleccionar solo la
señal de interés para poder demodular la
subportadora de cada canal. Cada señal de grupo
básico se pasa por 12 filtros pasabanda que
seleccionarán cada señal de voz y la demodulan
mediante los moduladores balanceados que utilizan la subportadora
original de cada señal utilizada en el transmisor. El
filtro pasa bajas (LPF) de cada canal del grupo básico se
utiliza para seleccionar la señal original que fue
transmitida.
FIG. 5.2.1-11 Ejemplo de FDM en la Jerarquía
telefónica para formar los grupos telefónicos
analógicos.
FIG. 5.2.1-12 Ejemplo de Multicanalización por
División en Frecuencia en un sistema de FM Estéreo.
Transmisor.
Del trasmisor de FM estéreo se observa lo siguiente : Se
tienen dos micrófonos que capturan el audio desde dos
posiciones diferentes, creando la sensación de
“espacio”. Las dos señales, llamadas canal
derecho y canal izquierdo, se combinan para formar las
señales suma, L + R, y diferencia, L – R. La
señal L + R es una combinación algebraica lineal de
los canales izquierdo y derecho; la señal compuesta que se
obtiene es como si se hubiera usado un solo micrófono y
que se utilizará para receptores de un solo canal
(monoaural). El circuito combinador invierte la señal del
canal derecho, con lo cual la restará de la señal
del canal izquierdo para producir la señal L – R.
Las señales, L + R y L – R, se transmitirán
de manera independiente y en el receptor se recombinarán
de tal forma que se producirán los canales izquierdo y
derecho.
La señal L – R se utiliza para modular una
subportadora de 38 KHz la cual es enviada a un modulador
balanceado junto con la señal L – R. Es decir, que
se produce modulación en amplitud de doble banda lateral
con portadora suprimida. En el espectro en frecuencia se genera
una señal de doble banda lateral de 23 a 53 KHz, que se
transmite junto con la señal L + R, que está por
debajo de los 15 KHz. También se transmite una
subportadora piloto de 19 KHz, que se utilizará en el
receptor para demodular. La señal de 38 KHz se obtiene a
partir de duplicar esta frecuencia de 19 KHz. De forma opcional
se puede enviar junto con las demás señales ya
indicadas, una señal auxiliar que puede contener
música, voz o bien otra clase de información para
alguna aplicación especial, llamada señal de SCA
(Subsidiary Communications Authorization –
Autorización Subsidiaria de Comunicaciones).
Esta señal de SCA se modula en frecuencia mediante una
subportadora de 67 KHz, con un ancho de banda de 15 KHz. Todas
las señales se suman en un mezclador lineal para formar la
señal multicanalizada en frecuencia, la cual se observa en
la siguiente figura 5.2.1-10. La señal de banda base
multicanalizada en frecuencia se utiliza para modular una
portadora de RF del transmisor de radiodifusión, siendo
esta frecuencia la de la estación y que deberá ser
sintonizada por los receptores que quieran capturar esta
estación.
FIG. 5.2.1-13 Ejemplo de Multicanalización por
División en Frecuencia en un sistema de FM Estéreo.
Espectro en Frecuencia.
FIG. 5.2.1-14 Ejemplo de Multicanalización por
División en Frecuencia en un sistema de FM Estéreo.
Receptor.
En el receptor, primero se demodula en frecuencia a la portadora
principal mediante un receptor superheterodino, el cual es capaz
de seleccionar distintas frecuencias de diversas estaciones,
generando la frecuencia intermedia (FI) del FM de 10.7 MHz. La
salida del demodulador de FM es la señal banda base
multicanalizada en frecuencia. La señal de audio original
L + R se extrae mediante un filtro pasa bajas (LPF) cuya
frecuencia de corte máxima es de 15 KHz, dejando pasar la
señal de audio original de 50 a 15 KHz. Esta señal
puede ser utilizada por un receptor de FM de un solo canal,
llamado receptor de FM monoaural. En un receptor estéreo
la señal L + R se aplica junto con la señal L
– R a un combinador lineal que separa las señales de
los canales izquierdo y derecho. La señal multiplexada se
aplica a un filtro pasa banda (BPF) que deja pasar a la
señal de doble banda lateral con subportadora suprimida de
38 KHz, que contiene a la señal L – R que se
utilizó para modular a esta subportadora.
El modulador balanceado se encarga de demodular la señal
de L – R, para lo cual se requiere a la subportadora de 38
KHz, la que se obtiene doblando la subportadora piloto de 19 KHz.
Esta subportadora piloto de 19 KHz sirve para esta
función, pero también para indicar donde comienza,
en el espectro de la frecuencia, la señal de doble banda
lateral. Por otro lado, la señal de SCA es seleccionada
por otro filtro pasa banda (BPF) centrado a 67 KHz y con un ancho
de banda de 15 KHz, el cual la entrega a un demodulador de FM que
extrae la subportadora de 67 KHz. Esta señal se amplifica
y se entrega a una bocina, si se trata se una señal de
audio (voz o música) o bien si se trata de otro tipo de
señal, se le dará el tratamiento adecuado, por
ejemplo, si son datos se pueden enviar a un display o
pantalla.
FIG. 5.2.1-15 Ejemplo de Multicanalización por
Frecuencia.
FIG. 5.2.1-16 Ejemplo de FDM en Telefonía. Cada canal de
voz está limitado a un Ancho de Banda Base (ABB) de 4 KHz,
el Ancho de Banda Base Multicanalizado (ABBM) es de 12 KHz, con
una frecuencia mínima de 20 KHz y una frecuencia
máxima de 32 KHz. Las bandas de guarda están
incluidas dentro de los 4 KHz de cada canal, ya que la frecuencia
mínima de voz es de 300 Hz y la frecuencia máxima
de voz es de 3000 Hz.
FIG. 5.2.1-17 Ejemplo de FDM para 5 señales. Las
señales están limitadas en banda base a 100 KHz,
cada una; se utilizan bandas de guarda de 10 KHz entre cada
canal, lo cual genera un ancho de banda base total
multicanalizado de 540 KHz. 5 señales de 100 KHz cada una,
dan 500 KHz, más 4 bandas de guarda de 10 KHz cada una
entre cada canal, dan 40 KHz en total y sumados a los 500 KHz de
las 5 señales da un total de 540 KHz. Esta señal se
puede enviar así a través de algún medio de
transmisión “confinado” o bien se puede
modular con una portadora de RF o de Microondas para enviar la
señal multicanalizada a través de un enlace
inalámbrico.
FIG. 5.2.1-18 Ejemplo de FDM con señales digitales. Cada
canal es una señal digital de 1 Mbps (Mega bit por
segundo), el ancho de banda de transmisión es de 1 MHz.
Cada canal digital ocupará un ancho de banda base de 250
KHz, previamente modulado digitalmente mediante la técnica
de Modulación de Amplitud en Cuadratura (QAM).
FIG. 5.2.1-19 Ejemplo de WDM (Multicanalización por
División de Longitud de Onda). Las señales se
transmiten mediante un haz luminoso de distinta longitud de onda
(distinto color) generado por un fotoemisor de distinta longitud
de onda o color; las señales se ingresan a la fibra
óptica mediante un multiplexor luminoso, como por ejemplo
un prisma.
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