Multiplexación y Acceso Múltiple

1. Multiplexación y Acceso Múltiple Comunicaciones Eléctricas Ing. Verónica M. Miró 2009

2. Multiplexación • Multiplexación: Proceso a partir del cual un número de señales independientes se combinan formando una señal apropiada para la transmisión sobre un canal común. • División de Frecuencia: FDM: Asignación de sub-bandas de frecuencia • División de Tiempo: TDM: Asignaciones de time-slots (ranuras de tiempo) • División de Espacio: SDM: Asignaciones de direcciones espaciales (arreglo de antenas) • División de Polarización: PDM: Asignación de polarizaciones ortogonales para separar señales. • División de Código: CDM: Asignación de código digital para acceso al canal

3. Multiplexación • En el proceso de multiplexación, el usuario tiene una asignación fija del recurso que se está multiplexando. • La clave está en que todas las señales compartan el recurso de comunicación sin producir interferencia mutua entre los diferentes canales.

4. El ancho de banda útil del medio supera el ancho de banda requerido del canal. • Cada señal se modula con una frecuencia portadora diferente. • Ejemplo: la radio convencional. • Asignación de canal, incluso si no hay datos.

5. FDM – Multiplexación por división de Frecuencias • Se asume que los mensajes entrantes son pasabajos. • La señal entrante ingresa a través de un filtro pasabajos para remover las componentes de alta frecuencia que no contribuyen significativamente en la representación de la señal pero podrían producir superposición entre canales adyacentes cuando comparten el mismo medio. • La señal filtrada se aplica a diferentes moduladores que desplazan los rangos de frecuencia ocupando intervalos mutuamente excluyentes. • Las diferentes portadoras son obtenidas de una fuente de portadora

6. FDM – Multiplexación por división de Frecuencias

7. FDM – Multiplexación por división de Frecuencias

8. FDM – Multiplexación por división de Frecuencias • El método más ampliamente utilizado para la obtención de la señal desplazada en frecuencia es banda lateral única (SSB) • Los filtros pasabanda que siguen a los moduladores son utilizados para restringir la banda lateral a un rango predeterminado • La salida de los filtros pasabanda se combina en paralelo de forma que se obtiene una señal única de un ancho de banda determinado

9. FDM – Multiplexación por división de Frecuencias • A la entrada del receptor, se ubica un banco de filtros pasabanda iguales a los de salida del transmisor conectados en paralelo, se utilizan para separar, las señales correspondientes a cada una de las bandas. • Las señales mensaje originales son demoduladas de acuerdo a la portadora en correspondencia con el filtro de entrada. • El modulador funciona en una única dirección. • Para que transmita en ambas direcciones, es necesario duplicar el bloque y conectarlo en orden inverso

10. FDM - Implementación • Sistema de modulación con portadora analógica diseñado por AT&T como jerarquía de esquema FDM • El primer multiplexor combina 12 entradas de voz en un Grupo Básico con portadoras ubicadas en fc = 64 + 4nKHz, n = 1,2,…12, ocupando una banda de frecuencias ubicadas entre 60 kHz y 108 kHz. • La siguiente jerarquía agrupa 5 grupos de los anteriores formando un Supergrupo, modulando cada uno de los grupos en fc = 372 + 48nKHz, n = 1, 2,..5 ocupando la banda de 312 kHz a 552 kHz. • En un supergrupo se logran acomodar 60 canales de voz independientes, transmitiendo en forma simultánea.

11. FDM - Implementación • Grupo: • 12 canales de voz (con 4 kHz cada uno) = 48 kHz • Espectro: 60 kHz hasta 108 kHz • Supergrupo: • 60 canales de voz. • FDM de 5 señales de grupo con portadoras de entre 420 kHz y 612 kHz • Grupo maestro: • 10 supergrupos.

12. COMUNICACIONES SATELITALES • En sistemas de comunicaciones satelitales geoestacionarios, una señal mensaje es transmitida desde una estación terrestre vía un enlace de subida (uplink) al satélite, amplificado en un transponder dentro del satélite y luego retransmitido desde el satélite vía un enlace de bajada (downlink) a otra estación terrestre.

13. COMUNICACIONES SATELITALES • La banda de frecuencia más común para comunicaciones satelitales es la que se denomina Banda C ubicada en 6 GHz para el enlace uplink y 4 GHz para el enlace downlink. • La ulitilización de estas bandas de frecuencia ofrecen las siguientes ventajas • Equipamiento de microondas de bajo costo relativo. • Baja atenuación debido a la lluvia (causa principal de la degradación de señal). • Ruido insignificante debido a emisiones de fuentes galácticas, solares y terrestres (sky background noise), alcanza los niveles más bajos entre 1 a 10 GHz.

14. COMUNICACIONES SATELITALES • Las comunicaciones satelitales operando en Banda C están limitadas, debido a que en dicha banda coincide con aquellas utilizadas para sistemas de microondas. • Este problema se eliminó con la ¨segunda generación¨ de enlaces satelitales que operan en la Banda Ku, funcionan en 14/12 GHz. • La utilización de dichas frecuencias, permite la construcción de antenas de menor diámetro y precio.

15. COMUNICACIONES SATELITALES • Componentes básicos de un transponder de un satélite de comunicaciones típico • La salida de la antena receptora del uplink es aplicada a la conexión en cascada de los siguientes componentes • Filtro pasabanda: Separar la señal recibida de diferentes canales de radio • Amplificador de bajo ruido • Convertidor a baja frecuencia: Convierte la señal recibida (RF) a la frecuencia de bajada • Tubo amplificador de onda viajera (Travelling-wave tube): Provee alta ganancia sobre una amplia gama de frecuencias

16. COMUNICACIONES SATELITALES • Travelling-wave Tube: Las señales electromagnéticas viajan en forma de helicoide dentro de un tubo mientras un haz de electrones de alto voltaje viajan de forma helicoidal a una velocidad cercana a la onda de señal. El resultado es la transferencia de potencia desde los electrones a la onda, que crece rápidamente a medida que la señal viaja a través del tubo. • La configuración del canal utiliza una única traslación de frecuencia. • Hay algunas configuraciones utilizan una doble conversión de frecuencia (frecuencia intermedia).

17. COMUNICACIONES SATELITALES • El retardo de propagación es grande debido a las grandes distancias involucradas. • Delay señales de voz (270 mseg) • Las señales de voz, tienen un eco que se escucha hacia atrás en el extremo transmisor con un retardo satelital de 540 mseg. Este problema se puede solucionar utilizando un cancelador de eco (elimina el eco por la vía de retorno de señal, con filtro especial que se adapta a las características del canal). • El canal satelital se considera afectado por ruido blanco gaussiano aditivo tanto para el canal uplink como al downlink.

18. ACCESO MÚLITIPLE Y BROADCASTING • El transponder difiere de un repetidor convencional de microondas en el punto que muchas estaciones satelitales ubicadas en dentro de una zona amplia de la tierra pueden tener acceso al transponder, al mismo tiempo. • El propósito del acceso múltiple es permitir que los recursos de comunicación puedan ser compartidos por un gran número de usuarios manteniendo la comunicación con otros. • Por razones obvias, es deseable que al compartir los recursos satelitales no cause interferencia con otros canales.

19. ACCESO MÚLITIPLE Y BROADCASTING • Podemos identificar 4 tipos básicos de acceso múltiple: • FDMA: Frequency-Division Multiple Access: Se pueden alojar diferentes usuarios en bandas de frecuencias disjuntas durante todo el tiempo. Para reducir la interferencia entre usuarios de canal adyacentes se dejan bandas de guarda que actúan como bandas sin uso. Estas bandas son necesarias dada la imposibilidad de construir filtros ideales para la separación de los canales. Reconociendo que la no-linealidad del transponder es la causa principal de interferencia entre usuarios, el tubo amplificador de onda viajera es apropiadamente operado por debajo de su capacidad. Consecuentemente la eficiencia de potencia de la técnica FDMA es reducida debido margen de potencia necesario para que funcione sin saturar.

20. ACCESO MÚLITIPLE Y BROADCASTING • TDMA : Time Division Multiple Access. Cada usuario ubica sus datos en todo el ancho espectral del transponder satelital, pero sólo durante un tiempo corto denominado time slot. Las zonas de guarda (tiempos de guarda) están insertados entre las ranuras de tiempo asignada para datos. Esta ubicación se utiliza para reducir la interferencia entre los usuarios , permitiendo que durante estos tiempos sin transmisión puedan ubicarse las imperfecciones en el sistema, en especial en los tiempos de sincronismo. Una ventaja de TDMA sobre FDMA es que se puede utilizar muy cercano a la máxima eficiencia de potencia, permitiendo que el tubo de amplificación de onda viajera trabaje en saturación.

21. ACCESO MÚLITIPLE Y BROADCASTING

22. ACCESO MÚLITIPLE Y BROADCASTING • SDMA: Space –Division Multiple Access:Se refiere a la explotación de la separación física de las estaciones satelitales terrestres. Antenas que pueden emitir en múltiples aperturas se utilizan para separar señales de radio apuntando a diferentes direcciones. Esto es posible debido a los conmutadores integrados diseñados para seleccionar la apertura apropiada de antena para transmitir. Entronces diferentes estaciones terestres son habilitadas para acceder al transponder simultáneamente en la misma frecuencia ó en el mismo time slot.

23. ACCESO MÚLITIPLE Y BROADCASTING • CDMA: Code Division Multiple Access: Es una combinación híbrida de TDSM y FDMA que representa una forma específica de CDMA. Específicamente los saltos de frecuencia pueden ser empleados para asegurar que mientras dure cada ranura de tiempo, las bandas de frecuencia asignadas a los usuarios sean reordenadas de manera aleatoria(PN: Pseudo Noise Sequence). • Las comunicaciones son mucho más seguras y difíciles de interceptar

24. ACCESO MÚLITIPLE Y BROADCASTING • Todos estos accesos múltiples comparten una característica en común: alojar los recursos de comunicación en el satélite a través de la ultilización de discontinuidades (ortogonalidad), en tiempo, frecuencia, ó espacio. • Broadcasting: Es una característica distintiva de enlaces satelitales, alta potencia de transmisión para receptores baratos. Esta característica es explotada para el uso de servicios de televisión hogareños, con satélites de broadcast directo (DBS) • Ofrecen cobertura sobre amplias zonas terrestres.

25. TDM – Multiplexación por División de Tiempo • La velocidad de transmisión por el medio excede la velocidad de las señales digitales a transmitir. • Mezcla temporal de varias señales digitales. • El proceso de mezcla puede ser a nivel de bits o en bloques de octetos. • Las ranuras temporales se preasignan y fijan a las distintas fuentes. • Las ranuras temporales se asignan, incluso, si no hay datos. • Las ranuras temporales no se tienen que distribuir de manera igualitaria entre las fuentes.

26. TDM – Multiplexación por División de Tiempo • TDM: Habilita la utilización conjunta por una pluralidad de fuentes de mensaje independientes de un canal de comunicación común sin interferencia mutua. • Cada uno de los mensajes es restringido en ancho de banda por un filtro pasabajos antialiasing para remover las frecuencias que no son esenciales para una representación adecuada de la señal. • Las señales filtradas ingresan a un conmutador, (circuitería electrónica de conmutación)

27. TDM – Multiplexación por División de Tiempo

28. TDM – Multiplexación por División de Tiempo • El conmutador tiene dos funciones: • Tomar una muestra delgada de cada uno de los N mensajes de entrada a una tasa fs, que es un poco mayor que 2W , con W: Ancho de banda del filtro antialiasing. • Intercalar secuencialmente las N muestras dentro del intervalo Ts. Esta es la esencia de la operación de multiplexación TDM. • La señal multiplexada es aplicada a un modulador de pulsos, el propósito es transformar la señal multiplexada en una forma adecuada para la transmisión sobre un canal común. • Se introduce un factor de expansión de ancho de banda de factor N, porque el esquema acomoda N señales derivadas de N fuentes de señal diferentes en ranuras de tiempo igual a un intervalo de muestreo

29. TDM – Multiplexación por División de Tiempo

30. TDM – Multiplexación por División de Tiempo • En el receptor la señal recibida, es aplicada a un demodulador de pulsos, que realiza la operación inversa al modulador. • Las delgadas muestras obtenidas del demodulador son distribuidas a los filtros de reconstrucción pasabajos correspondientes por un deconmutador, que opera en sincronismo con el conmutador del transmisor. • La sincronización es esencial para una operación satisfactoria del sistema. La forma que esta sincronización tiene lugar, depende del método de modulación de los pulsos utilizados para transmitir la secuencia de muestras multiplexadas.

31. Sincronización • Un procedimiento posible para sincronizar los tiempos de Tx y Rx es setear un código ó pulso al final de una trama (palabra código extraída de uno de las fuentes de señal independientes) y transmitir dicho pulso sobre todas las tramas • El Rx incluirá un circuito que buscará el arreglo de 0s y 1s a la mitad de la velocidad de trama y establecerá la sincronización entre el transmisor y el receptor. • Cuando la comunicación entre Tx y Rx se interrumpe, es muy posible que los clocks de ambos continúen indicando el mismo tiempo por largo tiempo. • La puesta en marcha del proceso de sincronismo consiste en observar los códigos, uno por uno hasta que encuentra el pulso de sincronización.

32. Control de enlace en TDM

33. Sincronización – Delimitación de tramas • No se especifican los indicadores o caracteres SYNC para delimitar las tramas TDM. • Es necesario un método para asegurar la sincronización de las tramas. • Delimitación por dígitos añadidos: • Un bit de control en cada trama TDM: • Se parece a otro canal tal como el “canal de control”. • Se usa una combinación predefinida de bits a modo de canal de control. • Ejemplo: bits alternantes 01010101…,que resultan poco probable en un canal de datos. • El receptor compara los bits de entrada en una determinada posición con el patrón sync.

34. Sincronización – Inserción de bits • Problema:sincronización de las fuentes de datos. • Variación en los relojes de las fuentes. • Velocidades de datos no relacionadas por un número racional simple. • Solución: Inserción de bits. • La velocidad de salida del multiplexor (excluyendo los bits de delimitación) es mayor que la suma de las velocidades de entrada. • Inclusión de pulsos o bits adicionales en cada señal de entrada hasta que se ajuste al reloj local. • Inclusión de pulsos en posiciones fijas dentro de la trama y eliminados en el multiplexador.

35. TDM para fuentes AAG y DIG

36. Sincronización • La puesta en marcha del proceso de sincronismo consiste en observar los códigos, uno por uno hasta que encuentra el pulso de sincronización.