1 TENDENCIAS DE LAS COMUNICACIONES MODERNASPSK QAM FSK CODING Punto-a-Punto Mundiales Present Pasado Futuro LPI/AJ AM/FM Link Links Net Networks Ad Hoc Networks Internet Global Digital Analog FH OFDM DSSS Tecnologias Software Radio Sistemas Cognitivos This is a chart I’ve used for a long time. It shows the migration from attacking links to advanced networks. From analog systems to complicated digital systems providing LPI/AJ. Signals with complex modulation schemes employing software radios. Our latest trend is toward the use of Cognitive Radios and Jammers. i.e. systems that adaptive to the environment based upon the presence of other signals, jamming, or the requirements of more bandwidth because suddenly the system may require higher data rate. 1

2 Estructura de un Sistema de ComunicaciónCommunication Systems Estructura de un Sistema de Comunicación Fuentes de Información Señal Mensaje m(t) es la fuente de información a enviarse Posibles fuentes de información incluyen voz, música, imagenes, video, y data, las cuales son señales de banda base Las señales de banda base tienen potencia concentrada cerca DC Estructura básica de un sistema de comunicación análogo de tiempo contínuo: m(t) Proceso de Señales Circuitos Portadora Medio de Transmisión Circuitos Portadora Procesamiento de Señales TRANSMISOR RECEPTOR s(t) r(t) CANAL 0-2 2

3 SISTEMA DE COMUNICACIÓNCarrier signal  s(t) v(t) r(t) s(t) FUENTE TRANSMISOR RECEPTOR CANAL DESTINO meNsaje n(t) Señal Mensaje – Señal de información o señal de banda base Transmisor – Convierte y transmite la señal mensaje Convertidor de banda base – Filtrar, codificar, and multiplexar Modulación de onda portadora Amplificación de Potencia Canal – Conductores o el espacio libre a través del cual la señal es transmitida (La señal es distorcionada contaminada con ruido) Receptor – Desmodula, desmultiplea, y decodifica la señal recibida Señal Recibida – Señal detectada en presencia de ruido, solamente es una estimación de la señal mensaje

4 SISTEMA TÍPICO DE COMUNICACIÓN DIGITALFuente de Información Tasa de la Fuente: Rm = (1/Tm ) log2 M bits per second Generador de Código Codificador de Canal Encriptador Codificador (1, 2, Q) Amplificador de Potencia Modulador de espectro Modulador de Datos Terminal Frontal de Receptor Canal de Forma de Onda Concentrador de Espectro Desmodula-dor de Datos Decdificador de Canal Desencriptad-or Sincronización Decdificador de Fuente Receptor de Información Ruido Tasa de código: R simbolos de salida por bits de entrada Limitación de Potencia Limitación de Ancho de Banda Canal Discreto (Sin Memoria) Fuente: “Introduction to Spread Spectrum Communications” de Peterson, Ziemer, and Borth

5 SISTEMA DE COMMUNICACIÓN DIGITAL

6 CRITERIOS DE FUNCIONAMIENTO Sistemas Digitales vs. AnalógicosLos sistemas analógicos de comunicación reproducen formas de onda (un conjunto infinito) Los sistemas analógicos tinen mayor fidelidad (e.g. el porciento de distorción entre las formas de onda transmitida y recuperada) Los sistemas digitales de comunicación transmiten formas de onda que representan digitos (un conjunto finito) Los sistemas digitales tienen una baja cantidad de dígitos incorrectamente detectados

7 Abstracción de un Sistema de ComunicaciónFuente de Información Codificador Modulador Lado del emisor Canal Lado del receptor Decodificador Demodulador Señal de salida 7

8 Procesamiento de la Señal Circuitos de PortadoraCommunication Systems Transmisor Procesamiento de Señales El filtrado pasabajo asegura que la señal mensaje ocupe un ancho de banada específico (e.g. en radio AM y FM, cada estación tiene asignada un rango de valores en el dominio de la frecuencia) En un sistema de comunicación digital, podemos adicionar una redundancia al flujo de bits m[n] para ayudar a la detección (y posible corrección) de errores en el receptor m(t) Procesamiento de la Señal Circuitos de Portadora Medio de Transmisión TRANSMISOR RECEPTOR s(t) r(t) CANAL 0-8 8

9 Sistemas de ComunicaciónDigital Análoga Bloques comunes a todos los sistemas de comunicación 24 October, 2002 George Mason University 9

10 George Mason UniversityRepaso de los componentes de un sistem,a de comunicación: Transductor de entrada: El dispositivo que convierte una señal física de una fuente a una señal eléctrica, mecánica o electromagnética más adecuada para la comunicación Transmisor: El dispositivo que envía la señal transducida Canal de transmisión: El medio físico a través del cual se transporta la señal Receptor: El dispositivo quue recupera la señal transmitido por el canal Transductor de salida: El dispositivo que convierte la señal recibida a una señal útil 24 October, 2002 George Mason University 10

11 Sistemas básicos de comunicaciones analógicasBaseband signal (electrical signal) Ondas EM (señal modulada) Transmisor Transductor de Entrada Canal de Transmisión Modulador Ondas EM (señal modulada) Portadora Señal de Banda base (señal eléctrica) Receptor Transductor de Salida Demodulador 24 October, 2002 George Mason University 11

12 Procesamiento de la Señal Circuitos de PortadoraCommunication Systems Transmisor Circuitos de Portadora Convierten la señal de banda base a una banda de frecuencia apropriada para el canal, e.g. usando modulación analógica o digital w 1 w1 -w1 F(w) Y(w) -w0 - w1 -w0 + w1 -w0 w0 - w1 w0 + w1 w0 ½F(w - w0) ½F(w + w0) Señal Banda base Señal convertida w m(t) Procesamiento de la Señal Circuitos de Portadora Medio de Transmisión TRANSMISOR RECEPTOR s(t) r(t) CANAL 0-12 12

13 Procesamiento de la Señal Circuitos de PortadoraCommunication Systems Canal de Comunicación Medio de Transmisión Línea alámbrica (par de cables, coaxial, fibra óptica) Inalámbrica (interior/aire, exterior/air, submarina, espacial) La propagación de señales experimenta una degradación gradual con respecto a la distancia “Boosting” mejora la señal y reduce el ruido, e.g. repetidoras m(t) Procesamiento de la Señal Circuitos de Portadora Medio de Transmisión TRANSMISOR RECEPTOR s(t) r(t) CANAL 0-13 13

14 Zonas de Recepción e InformaciónCommunication Systems Zonas de Recepción e Información Receptor Los circuitos de portadora anulan los efectos de los circuitos de portadora en el transmisor, e.g. convierten de señal pasa banda a señal banda base El subsistema de procesamiento de señales extrae y mejora la señal banda base Zonas de información Dispositivos de salida, e.g. pantallas de conmputadora, bocinas, pantallas de TV m(t) Procesamiento de la Señal Circuitos de Portadora Medio de Transmisión TRANSMISOR RECEPTOR s(t) r(t) CANAL 0-14 14

15 Areas de Aplicación Control Comunicaciones Procesamiento de Señales 15

16 Aplicaciones de ControlControl y automatización ndustrial (Control de la velocitad o posición de un objeto) Ejemplos: Controlar la posición de una valvula o eje de un motor Herramientas Importantes: Solución de ecuaciones diferenciales en el dominio del tiempo Función de Transferencia (Transformada de Laplace) Estabilidad 16

17 Aplicaciones en ComunicacionesTransmisión de información (señal) a través de un canal El canal puede ser el espacio libre, cable coaxial, fibra óptica Componente clave de la transmisión: Modulación (Comunicación Analógica y Digital) 17

18 Aplicaciones de Procesamiento de SeñalesProcesamiento de señales=Aplicación de algoritmos para modificar señales de tal manera que se hagan más útiles. Metas: Transmisión eficiente y confiable, almacenamiento y despliegue de la información Extracción y mejora de la Información Ejemplos: Procesamiento de sonido y audio Procesamiento Multimedia (imágen y video) Acústica submarina Análisis de señales biológicas 18

19 Aplicaciones MultimediaCompresión: Rápida, eficiente, confiable transmisión y almacenamiento de datos Aplicación sobre datos de audio, imágenes y video para su transmisión por Internet, almacenamiento Ejemplos: CDs, DVDs, MP3, MPEG4, JPEG Herramientas matemáticas: Transformada de Fourier, Quantización, Modulación 19

20 Ejemplo JPEG 43K K K JPEG usa Transformada Discreta-Coseno (similar a la Transformada de Fourier) 20

21 Análisis de Señales BiológicasEjemplos: Señales del cerebro (EEG) Señales cardíacas (ECG) Medical images (x-ray, PET, MRI) Metas: Detectar actividad anormal (fallas o ataque cardíaco) Ayudar al médico en el diagnóstico de padecimientos Herramientas: Filtrado, Transformada de Fourier 21

22 Ejemplo Las ondas cerebrales están usualmente contaminadas por ruidoy son difíciles de interpretar and hard to interpret 22

23 Biometría Identificar a una persona mediante sus caracterízticas fisiológicas Ejemplos: Identificación por Huella Digital Reconocimiento Facial Reconocim,iento de Voz 23

24 Procesamiento de Señales de AudioCancelación Activa de ruido :Filtrado adaptativo Audífonos de cabina Efectos de Audio Digital Adicionar efectos musicales especiales como retraso , eco, reverberación Separación de señales de Audio Separar la interferencia de sonido deseado Sonido del viento de la música en carros 24

25 Ejemplo de Filtrado 25

26 Procesamiento Digital de Señales y sus BeneficiosPor señal nos referimos a cualquier variable que transporta o contiene alguna clase de información que puede ser comunicada, desplegada o manipulada. Ejemplos de señales de particular interés: El habla, la encontramos en telefonía, radio, y la vida diaria Señales biomédicas, (señales del corazón, del cerebro) Sonido y música, de un reproductor de discos compactos Video e imágen, Señales de radar, usadas para determinar la posición y localización de blancos distantes 26

27 * Usa los avances en la tecnología de los semiconductores para lograr: La atracción hacia el DSP se debe a ventajas clave tales como : * Precisión garantizada: (la precisión está determinada unicamente por el número de bits usado) * Perfecta Reproducibilidad: Funcionamiento idéntico de unidad a unidad ie. Una grabación digital puede ser copiada o reproducida varias veces sin pérdida en la calidad de la señal * No ocurre alentamiento del funcionamiento con la temperatura y el tiempo * Usa los avances en la tecnología de los semiconductores para lograr: (i) menor tamaño (ii)bajos costos (iii) bajos consumos de energía (iv) altas velocidades de operación * Mayor flexibilidad: Reprogramables , sin necesidad de modificar el hardware * Funcionamiento Superior ie. Se puede lograr respuesta lineal con respecto a la fase Es posible un complejo filtrado adaptativo 27

28 * Problemas de longitud finita de palabras Desventajas del DSP * Rapidez y Costo Los diseños en DSP pueden ser caros, especialmente cuando están involuicradas señales con anchos de banda grandes. ADC o DACs son muy caros o no tienen suficiente resolución para aplicaciones de ancho de banda grandes. * Los diseños de DSP pueden ser consumidores de tiempo y necesitar los recursos necesarios (software, etc) * Problemas de longitud finita de palabras Si se utiliza solamenmte un número limitado de bits, debido a consideraciones económicas, puede resultar una seria degradación en el funcionamiento del sistema. 28

29 Areas de Aplicación Procesamiento de Instrumentación/Control Voz/Audio Militar imágenes Reconocimiento Análisis de reconocimiento comunicaciones De Patrones espectros de voz seguras Visión Robótica Reducción ruido Síntesis del Habla Prosesamiento de Radar Mejora de imágenes Compresión de datos Texto a habla Procesamiento de Sonar Facsimil Posición y Tasa Audio digital Guía de Proyectiles animación control equalización Telecomunicaciones Biomedica Aplicaciones al Consumidor Cancelación de Eco monitoreo de pacientes Telefonía móvil Ecualización adaptativa escaners UMTS ADPCM trans-codificadores Mapeadores del cerebroEEG television digital Proliferación de espectro Análisis de ECG camaras digitales Video conferencias Almacenar/mejora RayosX telefonía por internet etc. 29