LOS SISTEMAS DE RADIO COMUNICACION DIGITAL

GENERALIDADES SOBRE LOS SISTEMAS DE RADIO COMUNICACION DIGITAL

SUMARIO

1.1. DIAGRAMA DE BLOQUES Y PARAMETROS FUNDAMENTALES

1.2. ECUACION DE TRANSMISION

1.3. RUIDO ELECTRICO

1.4. ECUACION DE MARGEN. DESVANECIMIENTO

OBJETIVOS

• Describir el diagrama de bloques funcional de un sistema de radiocomunicación digital y los parámetros fundamentales que permiten evaluar el comportamiento del mismo.

• Aplicar la ecuación de margen al análisis y diseño de un enlace radioeléctrico digital afectado por ruido y desvanecimiento.

1.1. DIAGRAMA DE BLOQUES Y PARAMETROS FUNDAMENTALES

En la figura 1.1. se muestra el diagrama de bloque de un sistema de radiocomunicación digital de un solo acceso al medio. se observa que el sistema opera en niveles de pareja.

Fig 1. Sistema de radiocomunicación digital

1.1.1. Codificación de la fuente. Este proceso se lleva a cabo con el uso del codificador y decodificador de la fuente. En el extremo transmisor el codificador de la fuente elimina la mayor cantidad posible de información redundante e irrelevante de la fuente original(audio, video, datos). El resultado es una disminución en la razón de bits(Rb, bps)y una reducción en los requerimientos de ancho de banda de transmisión. En el extremo receptor se reinserta(aproximadamente) la información eliminada y se recupera la información original(mensaje fuente).

los algoritmos que llevan a cabo los procesos anteriores se denominan técnicas de compresión y sus objetivos fundamentales son:

a. Optimizar la cantidad de información a eliminar de tal forma que el receptor no pueda identificar las diferencias entre la señal decomprimida y la de la fuente original.

b. Reducir la razón de bits de información para reducir los requerimientos de ancho de banda de transmisión.

La familia de normas MPEG(Motion Picture Expert Group) se han convertido en estándares mundiales para la comprensión-decomprensión de señales audiovisuales. La norma MPEG-1 es utilizada para el mantenimiento y transmisión de imagenes fijas en aplicaciones de multimedia con velocidades de salida de 1.5 Mbps. La norma MPEG-2 es utilizada para el almacenamiento y transmisión de imagenes en movimiento, fundamentalmente en radiodifusión, con velocidades de salida que van desde 2 hasta 15 Mbps. Se incluyen aquí los algoritmos para comprimir y decomprimir señales de tipo NTSC, PAL, SECAM y HDTV. En el caso de audio se utilizan técnicas muy similares como MUSICAM y Layer II y III del MPEG. En la figura 1.2 se muestra el proceso integral de compresión-decompresión de la información digital.

Fig. 3. Proceso de compresión-decompresión de la información digital

1.1.2. Codificación de canal. La transmisión de la señal modulada por el medio radioeléctrico es afectada por diversos factores(ruido, interferencia, desvanecimiento, etc) que provoca que la señal digital de banda base sea detectada con errores(un “1” interpretado como un “0” y viceversa).

La teoría de la codificación del canal ha permitido desarrollar algoritmos para la protección contra errores debido al ruido aleatorio(AWGN) presente en el canal. Desde este punto de vista, los errores en la señal de banda base aparecen como una serie de eventos estadísticamente independientes(no correlacionados).

Los algoritmos para llevar a cabo la protección contra errores aleatorios del canal de transmisión se denominan códigos de canal. El uso de los códigos de canal se puede realizar mediante técnicas de lazo cerrado(ARQ) o de lazo abierto(FEC). En el primer caso el transmisor envía la información codificada hacia el extremo receptor. Esta decide si la información recibida es correcta o no enviando un acuse de recibo al transmisor mediante el uso de un canal de retorno de baja velocidad. En el caso en el que el acuso de recibo sea negativo, entonces el transmisor puede repetir el envío de la información codificada. Este proceso puede repetirse varia veces en caso de que se mantenga el acuse de recibo negativo.

En el caso de la técnica FEC(Forward Error Correction), el proceso de detección y corrección de errores se hace automáticamente sobre el flujo de datos recibidos. Esta última técnica es muy utilizada en canales satelitales de alta velocidad en donde la utilización de un canal de retorno sería prohibitivo por los retardos de propagación(250 ms).

Los códigos de canal pueden clasificarse como códigos de bloque y códigos convolucionales. Los códigos de bloque se basan en el uso de técnicas combinatorias para la formación de la palabra digital codificada(sin memoria), mientras que los códigos convolucionales se basan en técnicas secuenciales(con memoria). En ambos casos se insertan redundancias para lograr el objetivo propuesto de protección contra errores. En la figura 4 se muestra el principio de la codificación-decodificación de canal

Fig. 4. Proceso de codificación-decodificación de canal

Como se observa la palabra de información X=(x1, ...., xk) se transforma en la palabra codificada Y=(y1, ..., yn). La cantidad de bits de información se representa por k, mientras que n representa la cantidad de bits de la palabra codificada. Los bits de redundancia r es la diferencia n-k. Si Rc representa la velocidad de los bits codificados y Rb la velocidad de los bits de información, entonces para que no exista una disminución del valor de Rb producto de los nuevos bits insertados, debe cumplirse que

(1.1)

Donde resulta evidente que Rc>Rb. Rc es también denominada la capacidad (real) del canal de transmisión, en términos de bps o múltiplos. El coeficiente (k/n) se denomina razón de código rc. De esta manera la ecuación (1.1) se convierte en:

(1.2)

Un código de bloques o convolucional es capaz de detectar y corregir t errore en una palabra codificada de n bits. Así, por ejemplo, un código de bloque representado por (63; 51; 2) indica que la palabra de información útil posee 51 bits, la palabra codificada 63 bits y que el algoritmo utilizado puede detectar y corregir 2 errores en la palabra codificada de 63 bits.

La efectividad del uso de la codificación de canal puede medirse estudiando dos aspectos:

a) La mejora de la probabilidad de error de bit (pB) con o sin codificación-decodificación de canal, manteniendo la misma potencia recibida y las mismas condiciones de ruido.

b) El ahorro en la potencia recibida con y sin codificación – decodificación de canal para una misma probabilidad de error de bit dando origen a una ganancia en la decodificación (Gc) que se expresa normalmente en dB

Una relación importante, cuando se utilizan técnicas de codificación – decodificación de canal es la siguiente:

Sea Eb la energía de bit (Joule/bit) correspondiente a la palabra de información y Ec es la energía de bit (Joule/bit) correspondiente a la palabra codificada. Entonces,

(1.3)

Las mejoras indicadas en a) y b) producto de la utilización de la codificación de canal son a expensas de incrementar el ancho de banda de transmisión en proporción de (n/k). Así, por ejemplo, un código de bloque del tipo (63,51) necesita un 23% adicional de ancho de banda de transmisión en relación al caso de no utilizar este tipo de código de canal.

1.1.3. Filtro Conformador de Pulso y ecualizador

Al transmitir un pulso de determinada duración a través de un canal limitado en ancho de banda se produce un fenómeno conocido como interferencia intersimbolos(ISI).

Para compensar estos problemas, se utilizan dos técnicas:

a) Uso de un filtro conformador de pulsos(Filtro de Nyquist) que permite minimizar la ISI a partir de las restricciones de ancho de banda del canal

b) Uso de un ecualizador que permita compensar las variaciones en el tiempo de la respuesta al impulso del canal en su equivalente de banda base.

Considérese un tren de impulsos espaciados T segundos y ponderados con un coeficiente ak formando así la señal de entrada x(t) al canal de transmisión. Esto es:

X(t) = kak(t-kT) en voltios E.1.4

Sea h(t) la respuesta al impulso del canal. Entonces la señal de salida será:

.y(t) = x(t)*h(t) = kakh(t-kT); volt E.1.5

Donde * representa la convolución entre x(t) y h(t).

Considérese, ahora, que se muestra la señal de salida y(t) en los instantes t=mT (m entero) y que se toma como referencia el pulso k-esimo. Entonces

.y(mT) = amh(0) + kmakh(mT-kT) E. 1.6

El segundo sumando representa la interferencia intersimbolo. Si la respuesta al impulso no sufre variaciones en el tiempo, para eliminar la ISI debe cumplirse que:

.h(0) = 1

.h(nT)= 0 con n  1 n= m- k E. No 1.7

Cualquier filtro que posea una respuesta al impulso que cumpla con la condición anterior (Ecuación 7) se denomina filtro de Nyquist. El problema consiste en encontrar la respuesta de frecuencia de un filtro realizable que

...