Sistemas de comunicación
Diagrama de temas
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IMPORTANTE: El último periodo de exámenes de SISCOM será el de febrero de 2021.
Sistemas de Comunicación (siscom) es una asignatura semestral que acumula créditos en la materia Telecomunicaciones.
Este curso presenta la teoría básica para modelar y analizar sistemas de comunicaciones punto a punto. Se presentan los elementos principales y las herramientas para estudiarlos. El principal objetivo es darle al estudiante herramientas para trabajar con estos sistemas (o similares). Por lo tanto, el énfasis es en los métodos de análisis y en los conceptos en que se basan.
El curso se divide en tres temas medulares: Codificación de Fuente, Transmisión en Banda Base, y Modulación Pasabanda. Estos representan las funciones básicas necesarias para cualquier sistema de comunicación. Se hace notar que debido a lo extenso del curso, no es posible profundizar en cada uno de los temas tratados, muchos de los cuales son objeto de investigación por parte de la comunidad científica internacional. Se recomienda a los estudiantes que tengan interés inmediato en profundizar sobre alguno de estos temas que se pongan en contacto con los docentes del curso (siscom (at) fing edu uy).
Existe un taller obligatorio asociado a esta asignatura, que permite profundizar en ciertos aspectos prácticos de estos temas.
Plantel docente
- Responsable: Federico La Rocca.
- Teórico: Federico La Rocca y Germán Capdehourat.
- Práctico: Germán Capdehourat, Vanina Camacho, Gastón Morales y Pablo Flores.
- Laboratorios y demos: Pablo Flores.
Horarios y salones
- Teórico: Martes y Jueves de 16 a 18hs. Salón 102.
- Práctico: Viernes de 16 a 18hs. Salón 301.
- Consultas: Jueves 14 a 16hs. Preguntar por los docentes en el IIE.
Clase inicial: Martes 26/2/2019 hora 16.00. Salón 102.
- Responsable: Federico La Rocca.
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- Presentación. Sistemas de comunicaciones.
- Análisis de sistemas de comunicación banda base. Caracterización de la señal y el ruido. Modelo simplificado de canal. Señales y ruido. Cálculo de SNR. Formalización del modelo de canal. Repetidores analógicos.
- Modulación de Onda Continua. Modulación Lineal: AM, DBL, BLU. BLV.
- Modulación Exponencial: Introducción, FM, PM, modulación de tono en FM. Cálculo del ancho de banda, limitadores, generación de FM, demodulación.
- Ruido pasabanda en modulación lineal de onda continua y en modulación exponencial de onda continua, efecto umbral en FM.
- Modulación analógica de pulsos (PAM,PPM,PDM). Muestreo real. Espectro de señal PAM.
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- Introducción a sistemas de comunicación digitales. Códigos de línea.
- Transmisión digital bandabase. Ruidos y errores. Performance en el caso de ruido blanco gaussiano. (Cálculo del umbral óptimo).
- Receptores óptimos para comunicaciones digitales (filtro apareado). Cálculo de la probabilidad de error para distintos tipos de señal. Receptor de Correlación. Señalización M-aria.
- Repetidores Regenerativos.
- Interferencia Intersimbólica: problemas y posibles soluciones. Conformación de pulsos (Pulsos de Nyquist). Teoremas de Nyquist (demo). Ecualización.
- Modulación por pulsos codificados (PCM). Diagrama de bloques, ancho de banda. Relación señal a ruido en PCM (ruido de cuantificación). Cuantificación no uniforme distintos criterios. Ruido de decodificación. Umbral.
- Predictores (diagrama de bloques y calculo de la SNR). Distintas técnicas de codificación de voz. (DPCM, ADPCM, Codificación en subbandas, etc). Comparación de la performance de los sistemas.
- Modulación pasabanda (BPSK, ASK, FSK). Señalización Multinivel (MPSK).Modulación Pasabanda QASK, QAM. Diagrama de un Modem. Desempeño de modulación pasabanda.
- Técnicas de acceso al medio (TDMA, FDMA, CDMA).
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- Conceptos básicos.
- 1er. teorema de Shannon.
- 2do. teorema de Shannon.
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- procesos estocásticos -
con soluciones
- modulación lineal - con soluciones
- receptor superheterodino -
con soluciones
- modulación exponencial - con soluciones
- modelado de canales -
con soluciones
- ruido pasabanda - con soluciones
- codificación de línea - con soluciones
- transmisión digital en bandabase -
con soluciones
- receptor de correlación -
con soluciones
- interferencia intersimbólica - con soluciones
- modulación digital pasabanda -
con soluciones
- teoría de la información - con soluciones
- p.c.m. -
con soluciones
- repetidores regenerativos - con soluciones
- técnicas de acceso múltiple - con soluciones
- ofdm - con soluciones
- procesos estocásticos -
con soluciones
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Los grupos son OBLIGATORIAMENTE de 2 estudiantes.
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Presentación. Sistemas de comunicaciones - Martes 26/2
Lectura recomendada
Capítulo 1 - Carlson
Capítulo 8 - Carlson : Repaso de Probabilidad
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Análisis de sistemas de comunicación banda base. Caracterización de la señal y el ruido. Modelo simplificado de canal - Jueves 1/3
Lectura recomendada
Capítulo 2, Sección 3.3 - Carlson
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Genera un único procesos blanco gaussiano, el cual es filtrado por dos filtros: uno bandabase (X[k]) y otro pasabanda (Y[k]). Se grafica una estimación del PSD, y se muestra en el plano varias muestras de cada proceso (o sea, los puntos (X[k],Y[k])). Se puede variar la frecuencia central del filtro pasabanda.
Notar cómo las muestras comienzan a correlacionarse a medida que se solapan los soportes en frecuencia.
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Este diagrama toma una grabación (bajar del EVA la grabación de una banda vacía para hacer el experimento y configurar el bloque File Source para que apunte a ese archivo) y muestra varias cosas:
- Una estimación del PSD para verificar que sea fijo en toda la banda
- Un histograma de las muestras para verificar que el resultado se asemeja a una campana de Gauss (se toma la parte real de las muestras, pero se puede verificar que sigue siendo cierto para la parte imaginaria)
- En el plano se grafican varias muestras de los puntos (x[k],x[k+d]), donde d se puede elegir en el selector abajo. Se puede verificar que para cualquier valor de d distinto de cero los puntos forman un círculo, lo que indica que son realizaciones de variables normales iid.
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Un tono cerca de los 470 Hz (muestreado a 96 kS/s) es contaminado por ruido blanco gaussiano de varianza configurable en la interfaz gráfica. El resultado se puede escuchar. También se estima la potencia de la señal (promediando los valores al cuadrado de las muestras) y se calcula el SNR. También se muestra una estimación de la PSD mediante la transformada de Fourier discreta. De ésta se puede estimar la potencia, pero es importante notar que en este caso, al ser discreta, no se debe integrar, sino sumar todos los puntos (en este caso 1024).
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Modulación de Onda Continua. Introducción a la Modulación Lineal :AM Generación y detección. - Martes 6/3.
DBL, BLU. BLV. - Jueves 8/3
Lectura recomendada
Secciones 1.2 4.1, 4.2, 4.3 4.4 4.5- Carlson
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Introducción Modulación Exponencial: FM, PM, modulación de tono en FM. Martes 21/3.
Cálculo del ancho de banda, limitadores, generación de FM, demodulación. Jueves 23/3.
Lectura recomendada
Sección 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 - Carlson
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Modula un tono de frecuencia y amplitud variable (en bandabase). Se puede configurar también f_delta.
Se visualiza un waterfall del espectro y el espectro en cada momento. También se muestran las muestras en fase y cuadratura en el plano. Se recomienda bajar la cantidad de puntos (presionar ambos botones del mouse sobre la gráfica y elegir "Number of Points") a 12 para ver cómo giran los puntos a distintas velocidades a medida que el tono modulado cambia.
La frecuencia del tono está al comienzo bastante baja, lo que permite ver cómo la transformada de Fourier discreta sigue el tono. Si se aumenta la frecuencia aparecen las deltas cada f_m que uno esperaría ver en una función periódica como esta.
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Se modula una canción (hace falta un archivo wav a 48khz, se puede encontrar una selección en https://iie.fing.edu.uy/ense/asign/tallerinte/repo/canciones/) tanto en WBFM como NBFM. Se muestra la evolución temporal de la canción (filtrada, amplificada y limitada a estar entre -1 y 1) y el espectro de la señal antes y después de modular. Para estimar el ancho de banda existen dos posibilidades:
- Poner "Max Hold" en la ventana de la FFT y tomar un peor caso.
- Subir el número de muestras que toma la FFT para que el intervalo considerado sea grande. Esto puede no funcionar en PCs no muy rápidas.
Como ejercicio, puede comparar la regla de Carson (o sus variantes) con lo que le indica el GNU Radio. La ganancia del filtro se puede modificar desde la interfaz para que la canción tome todo el intervalo entre -1 y 1.
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Se ilustra el efecto captura, que es fácil hallarlo en la vida diaria. Se modulan dos canciones en FM (se necesitan dos archivos wav a 48khz, que pueden descargarse de https://iie.fing.edu.uy/ense/asign/tallerinte/repo/canciones/), y se puede configurar la frecuencia portadora de una de ellas, así como su amplitud. Luego se demodula la suma de ambas (es decir, se toma la suma y se aplica un único demodulador, sin filtrar).
Verificar a partir de qué valor de amplitud se escucha la señal interferente (y que se escucha prácticamente sin rastros de la original), y en qué rango se escucha mal. Es interesante también notar que si la portadora de la interferente decrece, ésta dominará totalmente (capturará el canal) con diferencias menores de ganancia.
Se agrega un control de volumen, pues los valores que entran a la tarjeta de audio no pueden superar 1 como valor absoluto, y un valor muy grande de la interferente puede producir clics debido a esto.
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Relación Señal a Ruido en recepción y detección - Martes 28/3
Modelado de Canal - Jueves 30/3
Lectura recomendada
Capítulo 2, Sección 3.3 - Carlson
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Ruido pasabanda en modulación lineal de onda continua. - Martes 3/4
Ruido pasabanda en modulación exponencial de onda continua, efecto umbral en FM - Jueves 5/4
Lectura recomendada
Capítulo 10, Sección 10.1 a 10.3 inclusive - Carlson
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En este ejemplo se modula en AM, o sea DSB-C, un tono (se puede elegir alternativamente un audio en wav a 48khz) y se comparan el demodulador coherente y el de envolente. La interfaz permite cambiar el demodulador elegido, si se envía el tono o no, y el nivel de ruido. Se muestran las componentes en fase y cuadratura a la salida del canal (en el plano complejo), y la señal en detección junto con su espectro, además de una estimación de su potencia.
Notar que a partir de lo anterior se puede estimar la SNR (emitiendo o no el tono por ejemplo). De esta manera se puede verificar que el receptor coherente es ligeramente mejor que el de envolente, pero que a partir del umbral (SNR=10) el audio queda distorsionado en el caso del detector de envolente (notar la aparición de otro tonoen el espectro, que se nota en el audio como una nota distinta que la enviada).
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Se modula en FM una canción, se le superpone ruido blanco en la banda, y se demodula. La interfaz permite cambiar el nivel de ruido, la máxima desviación en frecuencia del modulador (f_delta) y si se transmite música o no (el filtro de recepción ajusta su ancho de banda automáticamente en función de f_delta usando la estimación vista en clase). También calcula la potencia en recepción (lo cual permite fácilmente calcular la SNR en recepción, pues la potencia del transmisor está fija en 1).
Se muestra el espectro y los componentes en fase y cuadratura de la señal recibida, el espectro de la señal demodulada y la serie temporal del audio resultante. Se pueden verificar varias cosas: ver la forma parabólica del ruido (no modulando la canción se nota aún más), verificar que siempre que estemos sobre el umbral (SNR>5 o 10) y con un D grande se escucha muy bien, mientras que si lo bajamos hasta D=0.6 se empieza a escuchar como en AM. También se puede verificar qué sucede cuando trabajamos por abajo del umbral (esto se puede lograr subiendo excesivamente el ruido o el f_delta).
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Igual al ejemplo anterior (se ve y se puede configurar lo mismo), pero además se puede elegir entre usar filtros de pre y de-énfasis. Además, se compara la el audio (su espectro y la señal en el tiempo) usando o no filtros de pre-énfasis, así como el espectro de la señal modulada en FM.
Notar el leve aumento en el ancho de banda que genera el filtro pre-énfasis, pero que no se nota en la calidad del audio recibido, que sigue usando la misma estimación del ancho de banda que trabajamos en el teórico para la recepción. Además, comparar el ruido usando y sin usar estos filtros.
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Introducción a sistemas de comunicación digitales. Espectro de señal PAM. - Martes 10/4
Lectura recomendada
Capitulo 6 y Sección 11.1 - Carlson
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Códigos de línea. - Martes 18/4 y Viernes 21/4
Lectura recomendada
Sección 11.1, 11.2 - Carlson
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Diagrama de bloques TX-RX. Ruidos y errores . Cálculo del umbral óptimo. Performance en caso de ruido blanco gaussiano. - Martes 9/5
Receptores óptimos para comunicaciones digitales: filtro apareado. Cálculo de la probabilidad. - Jueves 11/5
Receptor de Correlación.Señalización M-aria. - 16/5
Interferencia Intersimbólica: Pulsos de Nyquist. Ecualización. - 18/5
Lectura recomendada
Capítulo 11 - Carlson
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Modulación pasabanda (BPSK, ASK, FSK). Señalización Multinivel (MPSK). - Martes 23/5
Modulación Pasabanda QASK, QAM. Diagrama de un Modem. Desempeño. - Jueves 25/5
Lectura recomendada
Secciones 14.1, 14.2, 14.3 - Carlson
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Teoría de la información: conceptos básicos. - Martes 30/5
Primer Teorema de Shannon. Segundo Teorema de Shannon - Jueves 1/6
Lectura recomendada
- Básica: Secciones 16.1 a 16.3 inclusive del Carlson.
- Avanzada: Capítulos 1, 2, 5 y 7 del libro Elements of Information Theory. Thomas M. Cover, Joy A. Thomas. 2nd edition. Wiley-Interscience, 2006. ISBN-13: 978-0471241959
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Modulación por pulsos codificados (PCM).Diagrama de bloques, ancho de banda. Ruido de cuantificación. - Martes 6/6
Cuantificación no uniforme distintos criterios. Ruido de decodificación. Umbral. Predictores (diagrama de bloques y calculo de la SNR). - Jueves 8/6
Distintas técnicas de codificación de voz. (DPCM, ADPCM, Codificación en subbandas, etc). Comparación de la performance de los sistemas. - Martes 13/6
Defensa laboratorio 2 - Jueves 15/6
Repetidores Regenerativos - Viernes 16/6
Lectura recomendada
Capitulo 12- Carlson
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Se toma una canción (puede usar cualquier archivo wav muestreado a 48 kHz)y se muestra la señal original, la cuantizada y la diferencia entre éstas. Además de graficarlas en el tiempo, se muestra también el histograma y su densidad espectral de potencia. Se puede controlar desde la interfaz la cantidad de bits para la cuantización (n).
La demo muestra como cuando n es alto el ruido de cuantización es efectivamente uniforme y blanco. Sin embargo, a medida que n es bajo el ruido de cuantización ya no cumple estas hipótesis. En particular, la PSD del ruido empieza a concentrarse en las frecuencias bajas (evidenciando la correlación entre muestras), donde vive la señal original.
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Se toma una canción (puede usar cualquier archivo wav muestreado a 48 kHz) y se muestra la señal original y la cuantizada. A diferencia de la demo anterior, en esta se usa la técnica de dithering: se sobremuestrea la señal (simulando una señal continua) y se le suma un ruido blanco fuera de banda. Luego se la cuantiza. Un pasa-bajos actúa como interpolador para recuperar la señal "original".
Notar como con únicamente 2 bits el sistema tiene una calidad de audio bastante buena simplemente sumándole ruido.
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Martes 20/Junio [T]
- Técnicas de acceso múltiple.
- TDMA, FDMA, CDMA.
Jueves 22/Junio [T]
- Modulación con múltiples portadoras.
- OFDM.
Viernes 23/Junio [P]
- Prácticos de acceso al medio y OFDM.
Lectura recomendada- Carlson - Capítulo 12, sección 12.5 (Multiplexación digital)
- Carlson - Capítulo 14, secciones 14.5 (OFDM)
- Carlson - Capítulo 15, secciones 15.1 y 15.2 (sistemas de espectro expandido, DSSS y FHSS)
- Wireless Communications, Andrea Goldsmith - Capítulo 12 (Modulación con múltiples portadoras)
- Técnicas de acceso múltiple.
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Martes 21/6: Aplicación Procesamiento de Imágenes, Audio y Video.
Jueves 23/6: Ejemplo de aplicación profesional: Redes móviles de nueva generación.
Viernes 24/6: Ejemplo de aplicación profesional: TV digital.