Multicanalización

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V
MULTICANALIZACION
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.
Multicanalización :
FIG. 5.1-1b
Concepto básico general de Multicanalización
o Multiplexación o Multiplexaje.
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.
Tx
Rx
FIG. 5.2.1-5
Ejemplo del proceso para generar FDM de 3
señales. Transmisor (Tx) y Receptor (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.
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.

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
FIG. 5.2.2-1
Canal de Transmisión
S3
Concepto básico de Multicanalización por
División en el Tiempo.
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.
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.
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.





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.
FIG. 5.2.2-5
Multiplexor PAM de 4 canales.
FIG. 5.2.2-6
Demultiplexor PAM.




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.
FIG. 5.2.2-7
Forma de detectar el pulso de sincronía de una
señal PAM Multicanalizada.
5.2.3

Multicanalización por
División de Código.
Multicanalización por División de Código (CDM)
y Acceso Múltiple por División de Código
(CDMA) : se utiliza para señales analógicas
digitalizadas y para señales digitales de origen.
 Se utiliza una técnica similar a la de
multicanalización por división en el tiempo
(TDM).
 Cada señal es codificada mediante un código o
encriptación distinto, por el mismo canal de
transmisión, permitiendo que en el receptor el
decodificador de cada señal va separando las
señales de acuerdo a su código respectivo.

Existen varias técnicas para generar el CDM o
CDMA : por ejemplo la Técnica de Espectro
Expandido (SS = Spread Spectrum).
 Esta técnica asigna una secuencia aleatoria de
bits, conocida como Ruido Pseudo-aleatorio
(PN = Pseudo-random Noise).
 Este código PN es una serie de bits generados
de manera aleatoria por el transmisor y al ser
enviados junto con la señal de información, en
el espectro en frecuencia aparece como un
espectro más grande (expandido) que parece
ruido y por lo tanto no se pueden diferenciar los
bits de información de los PN.





Se generan secuencias ortogonales, es decir,
las transmisiones nunca están en el mismo
lugar y al mismo tiempo.
Esto hace que sean prácticamente imposibles
de detectar.
Los bits PN que emite un transmisor solo lo
podrá descifrar el receptor que posea el mismo
código PN.
El receptor decodifica solo la transmisión que
posea el código PN que le corresponde e
ignora las demás transmisiones con otros
códigos PN, aunque le lleguen a través de la
antena.
Esto aplica también a sistemas “confinados”,
de cable coaxial o fibra óptica.

Hay dos formas de generar el PN (Pseudorandom Noise) :

Por salto de frecuencia (FHSS): donde en
el transmisor un sintetizador de frecuencia
genera una portadora que cambia (salta) de
frecuencia varias veces por segundo, en vez
de operar a una frecuencia fija. Esto genera
una secuencia aleatoria PN) de canales.

De Secuencia Directa (DSSS): se modula al
transmisor con una serie de bits generados
de forma aleatoria (PN) los cuales tienen una
tasa (velocidad en bps) mucho más alta que
los datos reales (de la información).
FIG. 5.2.3-1 Espectro en frecuencia Ensanchado (Spread
Spectrum) de una señal CDMA.
Se observa como el espectro original se amplía varias veces al
utilizar una secuencia de bits PN, con cualquiera de sus dos
variantes.
FIG. 5.2.3-2 Sistema de comunicación de voz donde se
utiliza una combinación de CDMA y FDMA.
Generador de FHSS
FIG. 5.2.3-3
CDMA de Espectro Expandido por Salto de
Frecuencia (FHSS)
FIG. 5.2.3-4
CDMA de Espectro Expandido por Secuencia
Directa (DSSS).

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