V MULTICANALIZACION

1. VMULTICANALIZACION

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. Multicanalización : FIG. 5.1-1a Concepto básico general de Multicanalización o Multiplexación o Multiplexaje.

7. Multicanalización : FIG. 5.1-1b Concepto básico general de Multicanalización o Multiplexación o Multiplexaje.

8. 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)

9. Multicanalización por Frecuencia FIG. 5.2.1-1 Multicanalización por Frecuencia : Transmisor.

10. Multicanalización por Frecuencia FIG. 5.2.1-2 Espectro en frecuencia de una señal Multicanalizada por División de la Frecuencia en el transmisor.

11. 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.

12. Multicanalización por Frecuencia FIG. 5.2.1-3 Multicanalización por Frecuencia : Receptor.

13. 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.

14. 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.

15. Tx FIG. 5.2.1-5 Ejemplo del proceso para generar FDM de 3 señales. Transmisor (Tx) y Receptor (Rx). Rx

16. FIG. 5.2.1-6 Ejemplo de Multicanalización por División en Frecuencia en un sistema de Telemetría (Medición y control a distancia). Transmisor.

17. 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).

18. 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.

19. FIG. 5.2.1-7 Ejemplo de Multicanalización por División en Frecuencia en un sistema de Telemetría (Medición y control a distancia). Receptor.

20. 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.

21. FIG. 5.2.1-8 Ejemplo de Multicanalización por División en Frecuencia en un sistema de Telefonía. Transmisor.

22. 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.

23. 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.

24. FIG. 5.2.1-9 Formación de los Grupos Básicos de un sistema de Telefonía. Transmisor.

25. FIG. 5.2.1-10 Ejemplo de Multicanalización por División en Frecuencia en un sistema de Telefonía. Receptor.

26. 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.

27. FIG. 5.2.1-11 Ejemplo de FDM en la Jerarquía telefónica para formar los grupos telefónicos analógicos.

28. FIG. 5.2.1-12 Ejemplo de Multicanalización por División en Frecuencia en un sistema de FM Estéreo. Transmisor.

29. 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.

30. 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).

31. 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.

32. FIG. 5.2.1-13 Ejemplo de Multicanalización por División en Frecuencia en un sistema de FM Estéreo. Espectro en Frecuencia.

33. FIG. 5.2.1-14 Ejemplo de Multicanalización por División en Frecuencia en un sistema de FM Estéreo. Receptor.

34. 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.

35. 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.

36. FIG. 5.2.1-15 Ejemplo de Multicanalización por Frecuencia.

37. 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.

38. 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.

39. 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).

40. 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.

41. 5.2.2 Multicanalización por División en Tiempo • Consiste en usar todo el Ancho de Banda disponible del canal de comunicación, pero se divide el tiempo en el cual se utiliza dicho canal de transmisión; se crean “ranuras” o espacios en el dominio del tiempo. • Esto solo se aplica a sistemas de comunicación digital. • También se aplica a sistemas de comunicación “confinados” como en cables coaxiales, guías de ondas o incluso en fibras ópticas.

42. Multicanalización por Tiempo : si la señal es analógica, como en video o telefonía, se digitaliza la señal y se divide el uso del canal de transmisión para enviar un pulso de cada señal a la vez. S1 S1 Sincronía de los Interruptores Rotatorios S2 S2 S3 S3 Canal de Transmisión FIG. 5.2.2-1 Concepto básico de Multicanalización por División en el Tiempo.

43. Si la señal es analógica primero se muestrea y retiene (S / H), se generan señales como las PAM de cresta plana; así se pueden enviar muestras de esta señal y de otras por el mismo canal. Se envía la primera de muestra de la primera señal (S1).Se envía la primera muestra de la segunda señal (S2).Se envía la primera muestra de la tercera señal (S3).Luego se envía la segunda muestra de la primera señal (S1).Se envía la segunda muestra de la segunda señal.Se envía la segunda muestra de la tercera señal y así sucesivamente. FIG. 5.2.2-2 Señal PAM lista para multicanalizar.

44. Las muestras pueden enviarse en forma PAM a través del canal de comunicación.También se pueden convertir a digital, cuantizándolas y codificándolas, y enviándolas mediante una portadora de RF.Si las señales ya son digitales, solo se asigna un número de bits totales (dato mas señalización y verificación de error) para enviar cada señal, como se muestra en la siguiente figura : FIG. 5.2.2-3 Señal digital para multicanalizar por tiempo.

45. FIG. 5.2.2-4 Otro ejemplo de señales analógicas convertidas a PAM y multicanalizadas Se muestra un multiplexor en tiempo, el cual es un interruptor (mecánico o electrónico) que en sucesión rápida muestrea las señales analógicas. El brazo del interruptor permanece solo un momento en cada contacto, permitiendo que la señal de entrada pase hasta la salida. Una vez que se han muestreado todos los canales el proceso se repite. El tiempo que tarda en cada contacto es el mismo y de duración fija. El resultado es que se genera una señal PAM de cada señal analógica multicanalizadas en tiempo.

46. Lo anterior solo es un concepto para explicar el proceso de muestreo y división del tiempo del uso del canal de comunicación, llamado sistema TDM/PAM. • En la práctica se utilizan circuitos electrónicos digitales para llevar a cabo esta función. La siguiente figura 5.2.2.-5 muestra un multiplexor electrónico TDM/PAM, que utiliza circuitos con FET o MOSFET como interruptores que abren y cierran a muy altas velocidades. • Se tiene un circuito sumador con resistencias (R1 a R4) conectadas a través de los FET’s que actúan como interruptores que abren y cierran, tomando muestras de las señales analógicas a intervalos de tiempo controlados por la circuitería digital mediante un decodificador de compuertas AND y el circuito contador con Flip Flop’s tipo T. • Los FET’s se cierran de manera secuencial (nunca al mismo tiempo) para dejar pasar una muestra (PAM) de cada señal. • Se supone que RF es igual a las resistencias, dando una ganancia de 1 para el amplificador operacional en configuración de sumador lineal.

47. FIG. 5.2.2-5 Multiplexor PAM de 4 canales.

48. FIG. 5.2.2-6 Demultiplexor PAM.

49. El Demultiplexor (DEMUX), que se encuentra en el receptor del sistema de comunicación, primero detecta el pulso de sincronía para comenzar la secuencia de demultiplaxado. En la siguiente figura 5.2.2-7 se muestra como se puede detectar este pulso de sincronía. • El puso de sincronía se utiliza para reiniciar el contador del circuito del decodificador del DEMUX. • Al final de cada cuadro (un cuadro se forma de las cuatro muestras multicanalizadas en el tiempo) el contador se reinicializa a cero, seleccionando el canal cero (0). • La salida del DEMUX se aplica a filtros pasa bajas (LPF), uno para cada canal, con la finalidad de separar las señales analógicas originales.

50. FIG. 5.2.2-7 Forma de detectar el pulso de sincronía de una señal PAM Multicanalizada.